1. 引言
尿酸(ua)是嘌呤代谢的最终产物，呈白色晶体外观，微溶于水，但难溶于人体体液[1]。由于生活水平的不断提高，人们经常吃一些油炸、油腻、辛辣、刺激的食物，如烧烤、海鲜、火锅等，这些都是含嘌呤量高的饮食。大量高嘌呤的食物摄入以及水分摄入的减少，会导致尿液中的ua浓度升高而发生结晶并析出形成肾结石[2]，当结石过大压迫肾脏或结石脱落堵塞尿路时，会引起剧烈疼痛。而体液中多余的ua无法分解，会积聚在关节、肌腱以及周围组织中，发展成痛风[3]。此外，尿酸水平升高还与慢性肾病、高血压、代谢综合症以及心血管疾病有关[4]。因此，需要一种简单且快捷的方法用于及时监测尿酸浓度以避免尿酸水平异常而引发上述疾病[5]-[7]。
目前为止，尿酸的检测方法有高效液相色谱法[8]、毛细管电泳法[9]、尿酸酶法、气相色谱法[10]、电化学检测法[11] [12]等。其中，毛细管电泳法、高效液相色谱法以及气相色谱法由于依赖笨重的仪器不能随时随地进行检测。其中，电化学检测法具有操作简单、设备易于小型化以及检测结果可信度高等优点。值得注意的是，光电化学检测法继承和发扬了电化学检测法的优点[13]。由于激发信号(光源)的能量形式与检测信号(电流)不同，光电化学传感器有着更高的信噪比，所以光电化学检测法具有检测范围大、灵敏度高、检出限低等优点[14]。因为光电化学材料自身的性能是影响光电化学分析能力的关键，材料的光电化学性能越好，才能在检测过程中提供更高且稳定的起始光电流，从而提高传感器检测时的灵敏度，所以选取合适的光电化学活性材料对于构建传感器十分重要。
我们借助金(au)和银(ag)的局域表面等离子体共振效应(lspr)以及其良好的导电性，在优先合成的银纳米线(ag nws)表面通过置换法镀上一层au，成功合成金银纳米线(auag nws)复合材料，这种复合材料不仅具有较好的光电化学性能，也具有优秀的电荷传递能力[15]-[17]。然而，auag nws的尺寸较大，需要一个表面积大的材料作为基底材料来负载auag nws。还原氧化石墨烯(rgo)是一种良好的吸附材料和电化学活性材料，具有电导率高、表面积大以及可见光吸收能力好等特点[18]。因此，具有大表面积的rgo能够负载auag nws以及促进电荷传递。石墨相氮化碳(g-c3n4)因为有着较强的光吸收能力、优异的稳定性以及易于合成等优点而被广泛应用于光电化学领域。然而，由于g-c3n4比表面积小且容易发生光生载流子的复合的问题而限制其广泛使用，所以，需要使用合适的材料对其进行修饰以避免这些问题。有意思的是，g-c3n4与石墨烯具有相似的类π共轭结构，这使得两者易发生键合，通过使用适合的方法将两种材料进行复合(rgo-c3n4)，在解决单一材料比表面积小、载流子复合率高的同时，提高了复合材料的光电化学性能[17]。
本课题基于auag nws优秀的电荷传递能力、独特的lspr效应以及rgo-c3n4纳米复合材料优秀的光电化学性能以及对目标物质的吸附能力，设计了一种用于超灵敏检测尿酸的光电化学传感器。该传感器的结构如图1所示。所制备的传感器表现出优秀的尿酸检测能力，具有较大的检测范围(0.5~200 μmol∙l−1)和较低的检测限(0.17 μmol∙l−1)。
figure 1. detection mechanism diagram of auag/rgo-c3n4 photoelectrochemical sensor
图1. auag/rgo-c3n4光电化学传感器的检测机理图
2. 实验部分
2.1. 常用仪器与实验试剂
所有购买并使用的试剂均为分析纯。通过上海阿拉丁生化科技股份有限公司购买了无水柠檬酸(h3cit)、氯化钾(kcl)、十二水合磷酸氢二钠(na2hpo4∙12h2o)、尿酸(c₅h₄n₄o₃)、抗坏血酸(c₆h₈o₆)、六氰基铁酸钾(k3[fe(cn)6])、二水合磷酸二氢钠(nah2po4∙2h2o)以及三水合六氰合铁酸钾(k4[fe(cn)6]∙3h2o)。通过国药集团化学试剂有限公司购买了氧化石墨烯(go)、无水柠檬酸钠(na3cit)以及石墨相氮化碳(g-c3n4)。此外，通过上海麦克林生化科技有限公司购置了硝酸银(agno3)、葡萄糖(c6h12o6)、1,2-丙二醇、氯化钠(nacl)等药品。四水合氯金酸(haucl4∙4h2o)购买自西格玛奥德里奇公司。配置溶液所用的水均为电阻值 > 10 mω∙cm的超纯水。通过天津市艾达恒晟有限公司购买了铂网电极、玻碳电极(lgc-3 mm)、饱和甘汞电极(sce)。
2.2. 实验方法
2.2.1. 银纳米线、金银纳米线的制备
先称取87.0 g分子量58,000的聚乙烯吡咯烷酮。然后，用10.0 ml的1,2-丙二醇中将其溶解，并转移至25.0 ml的烧瓶中，在油浴锅中加热(160℃)并连续搅拌1小时。快速加入1.0 ml 1,2-丙二醇溶解的氯化钠，氯化钠浓度为1.00 mmol∙l−1。搅拌5分钟后，用注射泵逐滴滴加4.0 ml 0.15 mol∙l−1硝酸银1,2-丙二醇溶液，然后加热搅拌40分钟。得到银白色的ag nws粗溶液。使用离心机和超纯水并控制离心机转速为7000 rpm将ag nws粗溶液离心水洗数次得到纯净的ag纳米线。使用20.0 ml的超纯水中将纯净的ag nws分散以便后续保存和使用。
加入2.0 ml的naoh (20.0 mmol∙l−1)水溶液、100.0 μl的氯金酸(25.4 mmol∙l−1)水溶液以及17.9 ml的超纯水，并且在常温下搅拌1小时得到混合溶液a。在3.0 ml超纯水中加入40.0 mg的pvp，在60℃下加热得到溶液b。2分钟后，将500.0 μl抗坏血酸(aa, 100.0 mmol∙l−1)以及500.0 μl氢氧化钠(naoh, 200.0 mmol∙l−1)加入到b溶液中。搅拌5分钟后将700.0 μl上述的ag nws溶液加入到b溶液中得到混合溶液c。快速搅拌10分钟后，将混合溶液a逐滴滴入(3秒一滴)混合溶液c中，直至滴完后继续加热搅拌10分钟后停止反应，得到auag nws粗溶液。在7000 rpm下，用超纯水离心洗涤auag nws粗溶液数次得到纯净的auag nws，在7.0 ml超纯水中将产物分散以便后续使用。
2.2.2. rgo纳米片的制备
还原氧化石墨烯(rgo)的合成依据已有的合成方案[17]。将14.0 mg的go和10.0 ml的超纯水加入到烧瓶中并且超声2小时使其分散，获得go分散液。将go分散液加入到反应釜中，并加入46.0 ml乙醇。用浓度为1.0 mol∙l−1的氢氧化钾水溶液调节混合溶液的ph并用ph试纸检测ph值。当分散液的ph达到9.0~10.0时，将反应釜置于烘箱中80℃下加热两小时，得到产物rgo沉淀物。超声分散黑色沉淀物并用离心机以及大量的水离心水洗多次，得到纯净的rgo分散液，并分散在23.0 ml的超纯水中，得到0.6 mg∙ml−1的rgo。
2.2.3. rgo-c3n4异质结的制备
将5.0 mg的g-c3n4溶解在2.0 ml的异丙醇中，并充分搅拌得到2.5 mg∙ml−1的g-c3n4悬浮液。取0.03 ml g-c3n4悬浮液以及0.5 ml rgo分散液混合搅拌，得到rgo-c3n4复合物悬浮液。
2.2.4. auag/rgo-c3n4复合材料修饰电极的制备
将10.0 μl rgo-c3n4溶液滴在用氧化铝打磨光滑的玻碳电极表面，并在50℃下烘干，然后将10.0 μl ag nws溶液滴在电极表面，在50℃干燥以供后续使用。为进行比较，还使用相同的方法制备以下电极：ag/gce、auag/gce、rgo-c3n4/gce以及auag/rgo-c3n4/gce。
3. 结果与讨论
3.1. ag nws、auag nws、rgo-c3n4以及auag/rgo-c3n4复合材料的形貌表征
采用sem表征ag nws、auag nws以及rgo-c3n4和auag/rgo-c3n4的微观形貌。图中所制备的ag nws尺寸均匀并且形貌完整(图2(a))。图2(b)是通过置换法制备的auag nws，auag nws形貌相较于ag nws没有明显的变化。图2(c)中可以看出，rgo-c3n4具有较大的表面积，因此可以有效负载auag nws并且能够较好地吸附待测物质以及提供充足的反应活性位点。图2(d)可以看到auag nws均匀地分散在rgo-c3n4上，并且由于两者是通过物理方法复合的，auag nws以及rgo-c3n4的微观形貌并没有发生变化。
figure 2. sem images of (a) ag nws, (b) auag nws, (c) rgo-c3n4 and (d) auag/rgo-c3n4 composites
图2. (a) 银纳米线、(b) 金银纳米线、(c) 还原氧化石墨烯和(d) auag/rgo-c3n4复合材料的扫描电镜图
3.2. ag、auag、rgo-c3n4和auag/rgo-c3n4的物理表征
figure 3. (a) ultraviolet-visible absorption spectra of ag nws, auag nws, rgo samples, g-c3n4 samples and auag/rgo-c3n4 composites; (b) x-ray diffraction patterns (xrd) of rgo-c3n4, auag nws and auag/rgo-c3n4 composites
图3. (a) 银纳米线、金银纳米线、还原氧化石墨烯样品、石墨相氮化碳样品和auag/rgo-c3n4复合材料的紫外–可见光吸收光谱图；(b) 还原氧化石墨烯–氮化碳、金银纳米线和auag/rgo-c3n4复合材料的x射线衍射图
通过紫外–可见光吸收射光谱对ag nws、auag nws、rgo、g-c3n4以及复合材料等样品进行了表征(图3(a))。ag nws的紫外吸收峰大概在370 nm处(黑色曲线)；然后，我们通过置换法，在ag nws表面置换一层au后，它在380 nm处的紫外吸收峰发生位移，这可能是au掺杂的影响，并且在约530 nm处出现了au的典型等离子共振吸收峰(橙色曲线) [15]，证实auag nws制备成功。并且相较于ag nws，auag nws复合材料的光吸收范围明显变宽，证实au和ag的协同作用能有效提高材料的光电化学性能。此外，240 nm以及330 nm处出现的吸收峰分别是rgo和g-c3n4的紫外特征吸收峰[16]。此外，可以通过auag/rgo-c3n4样品的紫外吸收光谱观察到这些特征吸收峰都存在(红色曲线)，证实auag/rgo-c3n4复合材料制备成功。为了判断材料的晶体结构，我们通过x射线衍射仪测量了样品的晶体数据，结果如图3(b)所示。rgo-g-c3n4复合材料的xrd图谱中在12.13˚、22.73˚以及27.33˚处出现三个衍射峰(黑色曲线)，其中12.13˚和27.33˚处的衍射峰对应着g-c3n4的(1 0 0)和(0 0 2)晶面，而22.73˚处的衍射峰对应着rgo的(0 0 2)晶面，与xrd标准卡(jcpds no. 87-1526)基本一致。而蓝色曲线中在38.17˚、44.78˚、65.09˚、77.79˚以及81.90˚处的峰对应auag nws的(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)、(3 1 1)和(2 2 2)的晶面(jcpds no. 3697)，证明auag nws复合材料制备成功。在auag/rgo-c3n4复合材料的xrd峰中，auag nws、rgo以及g-c3n4的特征衍射峰都存在，证实这几种材料成功复合。
3.3. ag、auag、rgo-c3n4和auag/rgo-c3n4材料的电化学和光电化学性能表征
figure 4. (a) cyclic voltammetry cures and (b) electrochemical impedance nyquist plots of ag, auag, rgo-c3n4 and auag/rgo-c3n4 modified electrodes in 5 mmol∙l−1 k3[fe(cn)6], k4[fe(cn)6] and 0.1 mol∙l−1 kcl solution; (c) dpvs of auag/rgo-c3n4 electrode in phosphate buffer solution (ph = 7.0) containing 0.02 mmol∙l−1 of uric acid at 0.1 mol∙l−1 concentration under visible light irradiation or dark environment; (d) i-t curve response of ag, auag, rgo-c3n4 and auag/rgo-c3n4 modified electrodes in phosphate buffer solution (ph = 7.0) containing 0.02 mmol∙l−1 of uric acid at 0.1 mol∙l−1 concentration under visible light irradiation
图4. (a) ag、auag、rgo-c3n4和auag/rgo-c3n4修饰电极在5 mmol∙l−1铁氰化钾、亚铁氰化钾以及0.1 mol∙l−1氯化钾混合溶液中的循环伏安曲线图和(b) 电化学阻抗谱；(c) auag/rgo-c3n4电极在含有0.02 mmol∙l−1尿酸的0.1 mol∙l−1浓度的磷酸盐缓冲溶液(ph = 7.0)中分别在有光照以及无光激发时的差分脉冲伏安曲线图；(d) ag、auag、rgo-c3n4和auag/rgo-c3n4修饰电极在有光照下在含有0.02 mmol∙l−1的尿酸的0.1 mol∙l−1浓度的磷酸盐缓冲溶液(ph = 7.0)中的时间电流曲线响应
通过循环伏安曲线(cvs)以及电化学阻抗谱(eis)探究材料的电化学性能。如图4(a)所示，在铁氰化钾、亚铁氰化钾以及氯化钾混合溶液中，auag/rgo-c3n4展现出最优秀的氧化还原能力以及最好的可逆性(红色曲线)，这表明auag/rgo-c3n4复合材料展现出最好的氧化还原能力。这是因为rgo-c3n4具有较好的氧化还原能力，而auag nws具有较好的电荷传递能力，au的lspr效应可以加速电荷传递，抑制电子空穴重组，增强电流。通过auag nws以及rgo-c3n4协同作用，使得auag/rgo-c3n4复合材料具有较高的氧化还原能力以及较低的阻抗(约500 ω) (图4(b))，从而具有较高的电化学性能。相比于无光照射的情况下，当有光照射时auag/rgo-c3n4修饰电极在尿酸溶液中的光电流显著提升(图4(c))。这是因为在可见光照射下，rgo-c3n4复合材料吸收光子产生光生载流子分离，其中空穴转移到材料表面，进而被电子供体尿酸消耗掉，而电子转移到外电路形成电流，产生光电流响应信号。此外，由于rgo较大的比表面积可以有效吸附尿酸到材料表面进行氧化，并且通过修饰g-c3n4以及auag nws，可加速光生载流子的传递，从而有效地抑制光生载流子的复合。所以，auag/rgo-c3n4/gce在检测尿酸时具有最大的光电流(图4(d))。从图4可以明显看出，在光照下，通过将auag nws、rgo和g-c3n4复合，可以有效提升检测尿酸时的光电流响应。
3.4. 探究auag/rgo-c3n4复合材料检测尿酸的电化学机理
figure 5. (a) linear voltammetry curves of auag/rgo-c3n4 electrode in 0.1 mol∙l−1 phosphate buffered solution (ph = 7.0) containing 0.05 mmol∙l−1 uric acid under visible light irradiation at a scanning rate starting from 40 mv∙s−1 and increasing by 20 mv∙s−1 to 160 mv∙s−1; (b) linear plot between the change of photocurrent intensity of the corresponding oxidation peaks of auag/rgo-c3n4/gce and the increase of scanning speed; (c) dpvs of auag/rgo-c3n4 electrode in 0.1 mol∙l−1 phosphate buffered solution containing 0.05 mmol∙l−1 uric acid under visible light irradiation for phosphate buffer solutions with ph values of 6.0, 7.0, 7.4, 8.0, and 9.0; (d) linear plot of the oxidation peak potential of auag/rgo-c3n4/gce and the ph values of phosphate buffered solution
图5. (a) 可见光照下，auag/rgo-c3n4电极在含有0.05 mmol∙l−1尿酸的0.1 mol∙l−1的磷酸盐缓冲溶液(ph = 7.0)中扫描速率从40 mv∙s−1开始，每次增加20 mv∙s−1到160 mv∙s−1时的线性伏安曲线；(b) auag/rgo-c3n4/gce相应的氧化峰光电流强度变化与扫描速度增加量之间的线性关系图；(c) auag/rgo-c3n4电极在含有0.05 mmol∙l−1尿酸的0.1 mol∙l−1的磷酸盐缓冲溶液中在可见光照射下的差分脉冲伏安曲线，磷酸盐缓冲溶液的酸碱值分别为6.0、7.0、7.4、8.0、9.0；(d) auag/rgo-c3n4/gce的氧化峰电位以及磷酸盐缓冲溶液ph值的线性关系图
通过线性伏安曲线以及差分脉冲伏安曲线，探究在尿酸溶液中通过改变扫描速率探究auag/rgo-c3n4/gce的反应动力学因素。auag/rgo-c3n4/gce在含有0.05 mmol∙l−1尿酸的磷酸盐缓冲溶液中，在光照条件下，通过改变线性伏安法检测时的扫描速度，以初始速度为40 mv∙s−1，扫描速度每次增加20 mv∙s−1并一直增加到160 mv∙s−1，以获得扫速在40 mv∙s−1~160 mv∙s−1范围内的线性伏安曲线。图中可以看出，随着扫描速度的增加(40~160 mv∙s−1)，氧化峰电流不断增长(图5(a))。通过计算扫速与峰电流强度可得到扫速与峰电流强度之间的关系式：ipa(μa) = 0.0384ν 3.6981，r2 = 0.9982 (图5(b))。结果表明，auag/rgo-c3n4/gce在检测尿酸时，电子参与了电极上复合材料与尿酸之间的电荷传递，并且电极与尿酸之间的电子转移由吸附过程控制[19]。
图5(c)探究了ph值对auag/rgo-c3n4/gce检测尿酸时性能的影响以及其反应动力学因素。控制磷酸盐缓冲溶液中的尿酸浓度相同，并用auag/rgo-c3n4/gce在不同ph值的磷酸盐缓冲溶液中测差分脉冲伏安曲线。图中可以看出，随着溶液的碱性逐渐增加，auag/rgo-c3n4/gce的氧化峰电位发生负偏移。结果发现，auag/rgo-c3n4/gce检测尿酸时最优的环境酸碱值为7.0。所以当磷酸盐缓冲溶液的酸碱度为7.0时(红色曲线)，光电流最大。此外，峰电位变化与溶液ph值变化呈现一个线性关系，经计算为epa = −0.0521ph 3.6981，r2 = 0.9982。斜率为−0.0521 mv/ph，接近能斯特值(−59 mv/ph)。结果表明，质子也参加了该光电化学反应过程[20] (图5(d))。
3.5. 检测限、稳定性和抗干扰性的研究
figure 6. (a) dpvs of auag/rgo-c3n4/gce in phosphate buffer solution (ph = 7.0) at 0.1 mmol∙l−1 concentration under visible light irradiation at uric acid concentration levels from 0.5 μmol∙l−1 to 200 μmol∙l−1; (b) linear plot of the corresponding increase in photocurrent response signal versus the change in uric acid concentration; (c) photocurrent response in the presence of 0.1 m pbs (ph = 7.0) buffer solution containing 0.01 mmol∙l−1 uric acid with interfering substances of 20 μl of mmol∙l−1 aa, glu, kcl and the mixture of the liquids; (d) cvs of auag/rgo-c3n4 modified electrode with 50 consecutive scans in phosphate buffer solution containing 0.01 mmol∙l−1 uric acid
图6. (a) auag/rgo-c3n4/gce在0.1 mol∙l−1浓度的磷酸盐缓冲溶液(ph = 7.0)中在0.5 μmol∙l−1到200 μmol∙l−1的尿酸浓度水平下光照条件下的差分脉冲伏安曲线图；(b) 相应的光电流响应信号增加与尿酸浓度变化之间的线性关系图；(c) 在含有0.01 mmol∙l−1尿酸的0.1 m浓度的pbs (ph = 7.0)缓冲溶液中当存在干扰物质时的光电流响应，干扰物质分别为20 μl的0.1 mmol∙l−1抗坏血酸、葡萄糖、氯化钾和以及混合液体；(d) auag/rgo-c3n4修饰电极连续扫描50圈的循环伏安曲线图，溶液为含有0.01 mmol∙l−1浓度尿酸的磷酸盐缓冲溶液
为了探究auag/rgo-c3n4/gce在可见光照射时对尿酸的检测性能，通过auag/rgo-c3n4/gce在ph = 7.0的磷酸盐缓冲溶液中加入不同浓度的尿酸(0.5~200 μmol∙l−1)。结果发现，auag/rgo-c3n4/gce都具有明显的光电流响应信号(图6(a))。并且发现溶液中尿酸浓度的变化与auag/rgo-c3n4/gce的光电流响应信号增强呈现一个线性关系，ipa = 0.0911c 0.1321, r2 = 0.9982 (图6(b))，并且检测限为0.17 μmol∙l−1，结果说明该材料在检测尿酸时具有很大的应用潜力。此外，需要进行抗干扰测试以及稳定性测试，以判断修饰电极能否实际应用。我们在0.01 mmol∙l−1的尿酸溶液中，依次加入20 μl 0.1 mmol∙l−1浓度的抗坏血酸(aa)、葡萄糖(glu)、氯化钾(kcl)以及混合液体。依据初始光电流以及干扰物质加入后光电流响应的变化，判断加入干扰物质对检测结果的影响。由图6(c)可以看出，当干扰物质加入后，光电流响应信号与初始光电流信号相比变化不大。结果说明，当auag/rgo-c3n4/gce在检测尿酸时，这几种常见的干扰物质对检测结果影响较小，证明该材料在检测尿酸时具有较好的稳定性和抗干扰能力。通过循环多次的循环伏安曲线来进一步探究auag/rgo-c3n4/gce在尿酸溶液中的耐久性。图6(d)为auag/rgo-c3n4/gce在含有0.01 mmol∙l−1尿酸溶液中的循环伏安曲线，连续扫50圈后，光电流变化不大，证明了其在检测尿酸时具有较好的稳定性。
4. 结论
综上所述，我们开发了一种基于auag/rgo-c3n4复合材料的光电化学传感器用于检测尿酸浓度。该传感器在含有尿酸的磷酸盐缓冲溶液中有着较高的光电流响应，这是由于rgo-c3n4具有较强的吸附能力以及较大的表面积，可以提供充足的电化学活性位点、较强的可见光利用能力以及较高的电荷传递能力。此外，auag nws良好的电导率以及lspr效应可以加速光生载流子的分离，从而抑制光生电子空穴对的重组。通过材料的共同作用，可实现高效、灵敏地检测尿酸水平。该传感器对尿酸的检测范围是0.5~200 μmol∙l−1，并且具有较低的检测限，为(0.17 μmol∙l−1)。基于auag/rgo-c3n4材料的光电化学传感器具有检测范围大、灵敏度高、稳定性好、抗干扰能力强等特点，可以作为检测尿酸的一种有效方法。
基金项目
本项目由国家自然科学基金(32101215)和南通大学开放基金项目(jfjn2427)支持。
notes
*通讯作者。