壳聚糖/氮掺杂还原氧化石墨烯修饰电极对黄嘌呤的检测及尿酸抑制的研究

引用本文: 宋光捷, 武调弟, 刘福鑫, 张彬雁, 刘秀辉. 壳聚糖/氮掺杂还原氧化石墨烯修饰电极对黄嘌呤的检测及尿酸抑制的研究[J]. 化学学报, 2020, 78(1): 82-88. doi: 10.6023/A19080313 shu

Citation: Song Guangjie, Wu Tiaodi, Liu Fuxin, Zhang Binyan, Liu Xiuhui. Electrochemical Detection of Xanthine and Study for the Inhibition of Uric Acid Based on Chitosan/Nitrogen Doped Reduced Graphene Oxide Modified Electrode[J]. Acta Chimica Sinica, 2020, 78(1): 82-88. doi: 10.6023/A19080313 shu

壳聚糖/氮掺杂还原氧化石墨烯修饰电极对黄嘌呤的检测及尿酸抑制的研究

西北师范大学化学化工学院甘肃省生物电化学与环境分析重点实验室兰州 730070

通讯作者: 刘秀辉, liuxh@nwnu.edu.cn; Tel.: 0931-7975276

基金项目:
项目受国家自然科学基金（No.21565021）资助

摘要: 用碳热还原法制备氮掺杂还原氧化石墨烯（N-RGO），用壳聚糖（CS）的乙酸溶液作为氮掺杂还原氧化石墨烯（N-RGO）的分散剂，将其修饰在玻碳电极表面，用于检测黄嘌呤（xanthine）.该传感器对黄嘌呤展现出优异的电化学响应，线性范围为2.99×10^-8~1.07×10^-4 mol/L，检测限为9.96×10^-9 mol/L（S/N=3）.此外，利用循环伏安法（CV）对黄嘌呤电化学行为进行了研究.最后，用电化学的方法研究了非布索坦（Febuxostat）和别嘌呤醇（Allopurinol）两种药物对尿酸生成的抑制.本工作为痛风的诊断和治疗提供了重要的信息.

关键词:

English

Electrochemical Detection of Xanthine and Study for the Inhibition of Uric Acid Based on Chitosan/Nitrogen Doped Reduced Graphene Oxide Modified Electrode

College of Chemistry and Chemical Engineering, Northwest Normal University, Key Laboratory of Bioelectrochemistry & Environmental Analysis of Gansu Province, Lanzhou 730070

Corresponding author: Liu, Xiuhui, liuxh@nwnu.edu.cn; Tel.: 0931-7975276

Received Date: 26 August 2019
Available Online: 15 January 2020
Fund Project:
Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 21565021)

Abstract: Nitrogen doped reduced graphene oxide (N-RGO) was successfully prepared by carbon thermal reduction method, which annealed graphene oxide (GO) and cyanamide at 900℃. The 0.2% acetic acid solution with chitosan (CS) was used as the dispersant of N-RGO to improve the dispersivity, electronic mass transfer rate, and biocompatibility of N-RGO. The morphology, structure and electrochemical properties of N-RGO and CS/N-RGO were investigated by scanning electron microscopy (SEM), fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and cyclic voltammetry (CV). FT-IR spectrum indicated graphene oxide (GO) was reduced and N-RGO was successfully prepared. The electrochemical experiments demonstrated that CS/N-RGO possesses large electrochemical effective area, strong adsorptive ability and fast electronic mass transfer rate. Then a novel electrochemical sensor for detection of xanthine was fabricated based on CS/N-RGO modified glassy carbon electrode (CS/N-RGO/GCE). It exhibited good electrochemical response toward the oxidation of xanthine with a linear range covering 2.99×10^-8~1.07×10^-4 mol/L, and the corresponding detection limit (LOD) of 9.96×10^-9 mol/L (S/N=3). In addition, the electrochemical behaviors of xanthine on CS/N-RGO/GCE were explored using cyclic voltammetry (CV), which included the pH effect on the oxidation of xanthine and the effect of scan rate on the peak current and peak potential of xanthine. Usually, uric acid in the body is generated by xanthine under the catalysis of xanthine oxidase (XOR), and high concentration of uric acid can cause gout. The inhibition for the formation of uric acid is the most direct method for the treatment of gout. Hence, the inhibition for the formation of uric acid by febuxostat and allopurinol was researched by electrochemical method, manifesting febuxostat and allopurinol can inhibit the activity of xanthine oxidase, which did not make xanthine generating uric acid. Thus, this work is very meaningful in the field of the diagnosis and treatment of gout.

Key words:

1. 引言

痛风(gout)是由于人体内嘌呤代谢紊乱导致尿酸排泄减少, 血尿酸增高, 致使尿酸结晶并沉积在关节及关节周围组织所引发的特征性关节炎症^[1].具体说, 人体中的嘌呤氧化生成尿酸, 而当嘌呤代谢紊乱时, 人体内大量的尿酸无法及时排泄, 导致血尿酸浓度持续增高最终形成尿酸盐结晶并沉积, 引发关节组织发炎、肾结石等^[2].人体内, 黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶(XOD)作用下生成尿酸^[3], 而其他主要的嘌呤如DNA中的腺嘌呤和鸟嘌呤去氨基后分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤, 次黄嘌呤也很容易生成黄嘌呤^[4].因此, 黄嘌呤是氧化成尿酸的最直接的物质.所以, 抑制黄嘌呤生成尿酸是治疗痛风最直接的方法^{[5, 6]}.

黄嘌呤(xanthine)是嘌呤代谢的中间物, 同时也是三磷酸腺苷的分解产物, 广泛分布在人体及其他生物体液中^[7].所以生物体液中黄嘌呤含量的高低与一些疾病息息相关^[8].另外, 黄嘌呤常用作温和的兴奋剂和支气管扩张剂, 是治疗哮喘的重要药物之一^[9].因此黄嘌呤的测定对临床医学和生命科学来说是非常重要的.截至目前, 已经开发了许多检测技术, 如高效液相色谱法(HPLC)^[10]、毛细管电泳法(CE)^[11]、酶比色法^[12]等.然而, 这些方法通常耗时、样品制备过程复杂以及设备昂贵等缺点^[13].而电化学的方法以其成本低、灵敏性高和响应快速等优点受到了研究人员的青睐^[14].因此, 寻找优异的电极材料制备灵敏的电化学传感器是非常重要的.

氮掺杂石墨烯作为典型的碳纳米材料, 由于氮原子引入石墨烯晶格中, 使其电负性改变, 能带打开^[15], 较石墨烯而言拥有多的缺陷和更快的电子传质速率.而且氮原子的掺入提高了生物相容性和灵敏度, 在电化学和生物电化学中受到广泛的应用^[16~18].然而, 石墨烯材料的片层容易发生堆叠和团聚, 导致在水中分散性差, 对实际应用不利^[19].因此, 有必要寻找一种好的分散剂.壳聚糖(CS)作为一种天然高分子衍生物, 近些年来是最受欢迎的石墨烯材料分散剂之一^{[20, 21]}.同时, 由于壳聚糖拥有好的生物相容性和快的电子传质速率^[22], 受到电化学和生物电化学研究者的关注.

在本工作中, 我们将氮掺杂还原氧化石墨烯(N-RGO)分散到壳聚糖(CS)的乙酸溶液中, 得到壳聚糖/氮掺杂还原氧化石墨烯(CS/N-RGO)复合材料, 构建一种简便、灵敏的电化学传感器.该传感器对黄嘌呤的检测具有宽的线性范围和低的检测限.另外, 本工作还研究了黄嘌呤的电化学行为, 同时对别嘌呤醇和非布索坦两种药物对尿酸形成的抑制进行详细的研究.

2. 结果与讨论

2.1 CS/N-RGO/GCE的表征

图 1A为N-RGO的扫描电镜图(SEM), N-RGO的表面展现出典型的褶皱状二维几何结构. 图 1B是CS/N- RGO的SEM图, 与N-RGO相比, CS/N-RGO表面非常光滑, 褶皱明显减少.说明CS将N-RGO包裹住, 二者成功结合. 图 1C分别是GO(曲线a)和N-RGO(曲线b)的红外光谱图(FT-IR).从曲线a看出, GO在3400 cm^-1处出现宽的O—H的伸缩振动峰^[23], 在1728、1630、1728和1045 cm^-1处分别出现了对应C＝O、C＝C、C—OH的伸缩振动峰和C—O的弯曲振动吸收峰^{[24, 25]}.与GO相比, N-RGO在3400 cm^-1处出现一个相对弱的窄峰, 而在1728、1630、1728和1045 cm^-1处均无特征峰, 说明氧化石墨烯成功还原; 另外在1568 cm^-1处出现了C—N的伸缩振动特征峰^[26], 这是由于氮原子掺杂到石墨烯中的缘故. 图 1D是裸GCE(曲线a)、N-RGO/GCE (曲线b)和CS/N-RGO/GCE(曲线c)在5.0 mmol/L [Fe(CN)₆]^3-/4-和0.1 mol/L KCl溶液中的循环伏安曲线(CVs), 每一条CV曲线上均能观察到一对[Fe(CN)₆]^3-/4-的氧化还原峰.相比于裸GCE, N-RGO/GCE的氧化还原电流明显增大, 说明N-RGO可以提高电极的电子传质速率.此外, 我们发现CS/N-RGO/GCE的氧化还原峰电流最大, 说明壳聚糖作为天然高分子衍生物分散剂, 能有效地避免石墨烯材料片层发生堆叠和团聚; 其次是壳聚糖带正电荷, 可以很好地吸附[Fe(CN)₆]^3-/4-在电极表面, 因此, 壳聚糖有助于加速电子在石墨烯与电极之间传递.

图 1

图 1. 不同材料的扫描电镜图(SEM): (A) N-RGO和(B) CS/N-RGO; (C)不同材料的红外光谱图: (a) GO和(b) N-RGO; (D)不同电极在5.0 mmol/L [Fe(CN)₆]^3-/4-和0.1 mol/L KCl溶液中的循环伏安曲线: (a)裸GCE, (b) N-RGO/GCE和(c) CS/N-RGO/GCE, 扫速为50 mV•s^-1

Figure 1. SEM images of (A) N-RGO and (B) CS/N-RGO; (C) FTIR spectra of (a) GO and (b) N-RGO; (D) CVs of different electrodes in the solution of 5.0 mmol/L [Fe(CN)₆]^3-/4- and 0.1 mol/L KCl: (a) bare GCE, (b) N-RGO/GCE and (c) CS/N-RGO/GCE, at 50 mV•s^-1

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2.2 黄嘌呤在CS/N-RGO/GCE上的电化学行为

2.2.1 黄嘌呤的循环伏安响应

图 2A是不同电极在1.0 mmol/L黄嘌呤溶液中的循环伏安曲线图.可以观察到黄嘌呤在CS/N-RGO/ GCE(曲线c)上的峰电流值约为裸GCE(曲线a)的4.07倍, 约为N-RGO/GCE(曲线b)上的1.83倍, 表明CS/N- RGO对黄嘌呤具有很好的电化学响应.这主要归因于以下两个因素: CS/N-RGO具有好的导电性和大的电化学有效面积(图S1a和b); 其次, N-RGO与黄嘌呤可能发生π-π堆积和氢键作用, 使得黄嘌呤易吸附在CS/N- RGO表面.

图 2

图 2. (A) 不同电极在含有1.0 mmol/L黄嘌呤的0.2 mol/L PBS (pH 7.0)溶液中的循环伏安曲线: (a)裸GCE, (b) N-RGO/GCE和(c) CS/N-RGO/ GCE, 扫速为100 mV•s^-1; (B) CS/N-RGO/GCE在含有1.0 mmol/L黄嘌呤的0.2 mol/L PBS溶液中不同pH(4~8)下的循环伏安曲线, 扫速为100 mV•s^-1, 插图为峰电势与pH的线性关系; (C) CS/N-RGO/GCE在含1.0 mmol/L黄嘌呤的0.2 mol/L PBS (pH 7)溶液中不同扫速(25~250 mV•s^-1)下的循环伏安曲线, 插图电流与扫速的线性关系

Figure 2. (A) CV of different electrodes with 1.0 mmol/L xanthine in the solution of 0.2 mol/L PBS (pH 7.0): (a) bare GCE, (b) N-RGO/GCE and (c) CS/N-RGO/GCE, at 100 mV•s^-1. (B) CVs of CS/N-RGO/GCE in the solution of 0.2 mol/L PBS at different pH (4~8) containing 1.0 mmol/L xanthine, at 100 mV•s^-1; insert is the linear relationship of E_pa vs. pH. (C) CVs of CS/N-RGO/GCE in the solution of 0.2 mol/L (pH 7.0) PBS containing 1.0 mmol/L xanthine with different scan rates (25~250 mV•s^-1); insert is the linear relationship of I_pa vs. ν

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2.2.2 溶液pH值对黄嘌呤的电化学影响

图 2B是pH值变化对黄嘌呤电化学行为的影响.黄嘌呤的氧化峰电势(E_pa)随pH值的增大而负移, 说明有质子参与了黄嘌呤的电化学氧化过程^[27].如插图所示, E_pa与pH呈现出良好的线性关系, 其线性回归方程为E_pa＝1.17-0.0591pH (R²＝0.9942), 斜率为-0.059 V• pH^-1, 与理论值(-0.059 V•pH^-1)接近, 说明黄嘌呤的电化学氧化是等质子等电子过程^{[28, 29]}.此外, 黄嘌呤在pH＝7.0中的电流响应最大, 因此本实验均在此pH中进行.

2.2.3 扫速对黄嘌呤的电化学影响

进一步我们做了扫速对黄嘌呤的电化学影响实验.在图 2C中, 当扫描速率逐渐增大时, 黄嘌呤的氧化峰电流也随之增大, 扫速(ν)和电流(I_pa)呈良好的线性关系, 线性方程为I_pa＝2.264+0.162ν (R²＝0.9995), 表明黄嘌呤在CS/N-RGO/GCE上的电化学氧化是一个吸附控制的过程.此外, 黄嘌呤的氧化峰电位随扫描速率的增大而发生正移.氧化峰电势(E_pa)和扫速的对数(ln ν)呈良好的线性关系, 其线性回归方程为E_pa(V)＝0.6238+0.0189ln ν (R²＝0.9904).由于黄嘌呤的电化学氧化为不可逆过程, 由Laviron公式^[30]:

$ {E_{{\rm{pa}}}} = {E^0} + \left( {\frac{{RT}}{{\left( {1 - \alpha } \right)nF}}} \right)\ln \left( {\frac{{RT{k^0}}}{{\left( {1 - \alpha } \right)nF}}} \right) + \left( {\frac{{RT}}{{\left( {1 - \alpha } \right)nF}}} \right)\ln v $

(1)

其中E⁰代表标准电位, k⁰代表表观速率常数, α为电子转移系数, n为电子转移数, ν代表扫描速率, 根据其斜率可以计算出RT/(1-α)nF的值.通常对于不可逆的电极反应, α为0.5, 计算得出n等于2, 说明黄嘌呤在CS/N- RGO/GCE上的电化学氧化是两电子两质子参与的过程^[31], 与文献报道一致.黄嘌呤的电化学氧化机理如Scheme 1所示.

Scheme 1

Scheme 1. 黄嘌呤在CS/N-RGO/GCE上的电化学氧化机理图

Scheme 1. Schematic illustration of the electrochemical oxidation mechanism of xanthine at CS/N-RGO/GCE

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2.2.4 电化学有效面积(A)和饱和吸附容量(Г^*)的计算

如图S1a和b所示, 根据Anson公式计算裸GCE和CS/N-RGO/GCE的电化学有效面积(A)^[32]分别为0.0344和0.1043 cm², 表明CS/N-RGO/GCE具有大的电化学有效面积.同样, 根据图S1c和d, 计算出CS/N- RGO/GCE对黄嘌呤的饱和吸附量(Г^*)为9.76×10^-9 mol•cm^-2.

2.3 黄嘌呤传感器的性能

2.3.1 实验条件优化

本实验的实验条件优化内容参见支持信息.

2.3.2 CS/N-RGO对黄嘌呤的电化学检测

通过线性扫描伏安法(LSV)对黄嘌呤进行定量检测.如图 3A所示, 黄嘌呤的氧化峰电流随着其浓度增加而增大. 图 3B和图 3C分别为黄嘌呤的浓度与其氧化峰电流(I_pa)的线性关系, 其线性范围分别为2.99×10^-8~7.11×10^-6 mol/L和7.11×10^-6~1.07×10^-4 mol/L, 检测限为9.96×10^-9 mol/L (S/N＝3), 线性回归方程分别为I_pa (μA)＝0.472+1.17 C (μmol/L) (R²＝0.9989)和I_pa (μA)＝8.27+0.141 C (μmol/L) (R²＝0.9946).与表S1中其他传感器相对比, 该传感器对黄嘌呤的检测具有宽的线性范围和较低的检测限, 能够有效地检测黄嘌呤.

图 3

图 3. (A) CS/N-RGO/GCE在连续加入黄嘌呤的0.2 mol/L PBS (pH 7.0)溶液中的线性扫描伏安曲线, 扫速为100 mV•s^-1; (B)低浓度黄嘌呤(2.99×10^-8~7.11×10^-6 mol/L)与峰电流的关系曲线; (C)高浓度黄嘌呤(7.11×10^-6~1.07×10^-4 mol/L)与峰电流的关系曲线

Figure 3. (A) LSVs of CS/N-RGO/GCE with successive addition xanthine to the solution of 0.2 mol/L PBS (pH 7.0), at 100 mV•s^-1; (B) The calibration curve of low concentration (from 2.99×10^-8 to 7.11×10^-6 mol/L) for I_pa vs. [xanthine]. (C) The calibration curve of high concentration (from 7.11×10^-6 to 1.07×10^-4 mol/L) for I_pa vs. [xanthine]

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2.3.3 黄嘌呤传感器的选择性、重现性及稳定性

图S4、S5和S6分别为传感器选择性、重现性和稳定性的研究, 得出该传感器具有好的选择性, 良好的重现性以及好的稳定性.

2.3.4 实样分析

根据表S2得出, 所制备的传感器具有分析检测实际样品的潜力.

2.4 药物抑制尿酸生成的电化学研究

通常人体内尿酸浓度过高会导致高尿酸血症, 引起痛风的发作.人体中的尿酸是由黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶(XOR)的催化下生成的, 目前减少痛风患者尿酸生成的最佳方法就是使用抑制剂抑制黄嘌呤氧化酶的活性^{[33, 34]}.在过去30年里, 别嘌呤醇(Allopurinol)是临床上唯一用于抑制尿酸生成的药物, 然而它对人体有诸多副作用, 如腹痛腹泻、过敏性皮疹、肝炎等^{[35, 36]}.近几年非布索坦(Febuxostat)作为一种新的抑制剂, 由于具有更好的安全性而受到广泛的关注^[37].本实验用电化学的方法分别探讨了对别嘌呤醇和非布索坦对尿酸生成的抑制.

首先, 分别对黄嘌呤氧化酶、非布索坦和别嘌呤醇溶液进行循环伏安扫描.如图S7所示, 无明显的峰出现, 说明三者均无电化学活性. 图 4A和4B分别是在含有黄嘌呤和尿酸的溶液中加入相同浓度非布索坦, 图 4A中观察到了黄嘌呤的氧化峰, 图 4B中观察到了尿酸的氧化峰, 说明非布索坦对它们无影响. 图 4C是存在黄嘌呤氧化酶(XOD)和黄嘌呤的循环伏安图, 观察到黄嘌呤的峰消失, 而在0.375 V处出现了尿酸的氧化峰, 证实了黄嘌呤与黄嘌呤氧化酶(XOD)可以生成尿酸. 图 4D为非布索坦加入黄嘌呤氧化酶和黄嘌呤溶液中的循环伏安图, 发现只出现黄嘌呤的氧化峰(0.78 V), 而尿酸的氧化峰消失了, 这说明非布索坦能够抑制黄嘌呤氧化酶的活性, 抑制尿酸的生成.

图 4

图 4. 不同物质在0.2 mol/L PBS (pH 7.0)中的循环伏安曲线: (A) 100 μmol/L非布索坦和100 μmol/L黄嘌呤, (B) 100 μmol/L非布索坦和100 μmol/L尿酸, (C) 100 μmol/L黄嘌呤和0.1 U•L^-1黄嘌呤氧化酶, (D) 100 μmol/L非布索坦、0.1 U•L^-1黄嘌呤氧化酶和100 μmol/L黄嘌呤, (E) 100 μmol/L别嘌呤醇和100 μmol/L黄嘌呤, (F) 100 μmol/L别嘌呤醇和100 μmol/L尿酸, (G) 100 μmol/L别嘌呤醇和0.1 U•L^-1黄嘌呤氧化酶和(H) 100 μmol/L别嘌呤醇、0.1 U•L^-1黄嘌呤氧化酶和100 μmol/L黄嘌呤.扫速为100 mV•s^-1

Figure 4. CVs of CS/N-RGO/GCE in the solution of 0.2 mol/L PBS (pH 7.0) in presence of different matters: (A) 100 μmol/L febuxostat and 100 μmol/L xanthine, (B) 100 μmol/L febuxostat and 100 μmol/L uric acid, (C) 100 μmol/L xanthine and 0.1 U•L^-1 XOD, (D) 100 μmol/L febuxostat, 0.1 U•L^-1 XOD, and 100 μmol/L xanthine, (E) 100 μmol/L allopurinol and 100 μmol/L xanthine, (F) 100 μmol/L allopurinol and 100 μmol/L uric acid, (G) 100 μmol/L allopurinol and 0.1 U•L^-1 XOD, and (H) 100 μmol/L allopurinol, 0.1 U•L^-1 XOD, and 100 μmol/L xanthine, at 100 mV•s^-1

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类似地, 图 4E和4F为在黄嘌呤和尿酸溶液中加入相同浓度的别嘌呤醇的循环伏安图, 分别观察黄嘌呤和尿酸的氧化峰, 说明别嘌呤醇也对它们无影响. 图 4G是别嘌呤醇加入黄嘌呤氧化酶的循环伏安图.在0.917 V处出现了一个氧化峰, 在0.373 V处出现了一个还原峰, 这说明别嘌呤醇和黄嘌呤氧化酶会生成其他的物质, 从而影响黄嘌呤氧化酶的活性. 图 4H为别嘌呤醇、黄嘌呤氧化酶和黄嘌呤共存溶液, 出现了和G中一样的氧化峰和还原峰, 且在0.379 V处还出现了较小的尿酸氧化峰.该实验说明别嘌呤醇也可以抑制黄嘌呤氧化酶的活性, 但效果不如非布索坦, 仍然有少量尿酸产生.

综上所述, 电化学实验表明非布索坦和别嘌呤醇均可以抑制黄嘌呤氧化酶的活性, 原因是它们能够抑制黄嘌呤氧化酶的钼碟活性中心^[38], 使其活性降低, 不能将黄嘌呤转化为尿酸.非布索坦的抑制效果优于别嘌呤醇原因主要是: (1)别嘌呤醇只对还原型的黄嘌呤氧化酶有抑制作用, 而非布索坦对氧化型和还原型的黄嘌呤氧化酶均有抑制作用^[39], 如图 4H所示, 部分没有被抑制的氧化型黄嘌呤氧化酶与黄嘌呤反应生成尿酸, 所以别嘌呤醇曲线中出现尿酸的氧化峰. (2)由图 4G, 可以看出别嘌呤醇和黄嘌呤氧化酶会产生其他的物质, 说明别嘌呤醇会影响黄嘌呤氧化酶.

3. 结论

综上所述, 我们用壳聚糖(CS)的稀乙酸溶液作为氮掺杂还原氧化石墨烯(N-RGO)的分散剂, 制备壳聚糖/氮掺杂还原氧化石墨烯(CS/N-RGO)复合材料, 构建了一种简便、灵敏的电化学传感器.该传感器可以有效地检测黄嘌呤, 具有较宽的线性范围和低的检测限.另外, 本工作还探究别嘌呤醇和非布索坦两种药物对尿酸生成的抑制过程, 这为痛风的治疗提供了重要的信息.

4. 实验部分

4.1 实验试剂与仪器

本实验所使用的试剂及仪器详细信息参见支持信息.

4.2 氮掺杂还原氧化石墨烯(N-RGO)的制备

氧化石墨烯(GO)以天然石墨粉为原料, 通过改性的Hummers法制得. N-RGO是用一种简便的碳热还原法合成.具体来说, 首先将已制备的GO (0.1 g)分散到100 mL二次水中超声2 h, 然后将十二烷基苯磺酸钠(SDBS) (0.1 g)溶解到20 mL的水中.再将SDBS溶液加入到GO的分散液中超声2 h形成SDBS-GO悬浮液. 3.0 g氰氨(95%)在磁力搅拌下缓慢加入到悬浮液中.随后, 该溶液在60 ℃下烘干后研磨.最后, 所得的粉末在氩气(Ar)保护和900 ℃下高温退火0.5 h.

4.3 壳聚糖/氮掺杂还原氧化石墨烯(CS/N-RGO)的制备

首先, 将1.0 mL乙酸加入到99.0 mL的二次水中, 形成1%的稀乙酸溶液.再称取0.1 g壳聚糖置于烧杯中, 加入上述配制好的乙酸溶液, 搅拌1 h使其完全溶解, 形成0.2%的壳聚糖溶液.最后, 将1.0 mg的N-RGO分散到1.0 mL、0.2%的壳聚糖溶液中, 超声使其分散, 配制成1.0 mg•mL^-1壳聚糖/氮掺杂还原氧化石墨烯(CS/N- RGO)的分散液.

4.4 CS/N-RGO/GCE的制备

首先, 预处理玻碳电极(GCE), 依次用1.0、0.3、0.05 μm的三氧化二铝(Al₂O₃)将玻碳电极抛光成镜面, 再用无水乙醇和二次蒸馏水对电极超声清洗.接着将7.0 μL、1.0 mg•mL^-1的CS/N-RGO分散液滴涂到干燥的玻碳电极表面, 室温下晾干, 得到CS/N-RGO/GCE.

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图 1 不同材料的扫描电镜图(SEM): (A) N-RGO和(B) CS/N-RGO; (C)不同材料的红外光谱图: (a) GO和(b) N-RGO; (D)不同电极在5.0 mmol/L [Fe(CN)₆]^3-/4-和0.1 mol/L KCl溶液中的循环伏安曲线: (a)裸GCE, (b) N-RGO/GCE和(c) CS/N-RGO/GCE, 扫速为50 mV•s^-1

Figure 1 SEM images of (A) N-RGO and (B) CS/N-RGO; (C) FTIR spectra of (a) GO and (b) N-RGO; (D) CVs of different electrodes in the solution of 5.0 mmol/L [Fe(CN)₆]^3-/4- and 0.1 mol/L KCl: (a) bare GCE, (b) N-RGO/GCE and (c) CS/N-RGO/GCE, at 50 mV•s^-1

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图 2 (A) 不同电极在含有1.0 mmol/L黄嘌呤的0.2 mol/L PBS (pH 7.0)溶液中的循环伏安曲线: (a)裸GCE, (b) N-RGO/GCE和(c) CS/N-RGO/ GCE, 扫速为100 mV•s^-1; (B) CS/N-RGO/GCE在含有1.0 mmol/L黄嘌呤的0.2 mol/L PBS溶液中不同pH(4~8)下的循环伏安曲线, 扫速为100 mV•s^-1, 插图为峰电势与pH的线性关系; (C) CS/N-RGO/GCE在含1.0 mmol/L黄嘌呤的0.2 mol/L PBS (pH 7)溶液中不同扫速(25~250 mV•s^-1)下的循环伏安曲线, 插图电流与扫速的线性关系

Figure 2 (A) CV of different electrodes with 1.0 mmol/L xanthine in the solution of 0.2 mol/L PBS (pH 7.0): (a) bare GCE, (b) N-RGO/GCE and (c) CS/N-RGO/GCE, at 100 mV•s^-1. (B) CVs of CS/N-RGO/GCE in the solution of 0.2 mol/L PBS at different pH (4~8) containing 1.0 mmol/L xanthine, at 100 mV•s^-1; insert is the linear relationship of E_pa vs. pH. (C) CVs of CS/N-RGO/GCE in the solution of 0.2 mol/L (pH 7.0) PBS containing 1.0 mmol/L xanthine with different scan rates (25~250 mV•s^-1); insert is the linear relationship of I_pa vs. ν

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Scheme 1 黄嘌呤在CS/N-RGO/GCE上的电化学氧化机理图

Scheme 1 Schematic illustration of the electrochemical oxidation mechanism of xanthine at CS/N-RGO/GCE

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图 3 (A) CS/N-RGO/GCE在连续加入黄嘌呤的0.2 mol/L PBS (pH 7.0)溶液中的线性扫描伏安曲线, 扫速为100 mV•s^-1; (B)低浓度黄嘌呤(2.99×10^-8~7.11×10^-6 mol/L)与峰电流的关系曲线; (C)高浓度黄嘌呤(7.11×10^-6~1.07×10^-4 mol/L)与峰电流的关系曲线

Figure 3 (A) LSVs of CS/N-RGO/GCE with successive addition xanthine to the solution of 0.2 mol/L PBS (pH 7.0), at 100 mV•s^-1; (B) The calibration curve of low concentration (from 2.99×10^-8 to 7.11×10^-6 mol/L) for I_pa vs. [xanthine]. (C) The calibration curve of high concentration (from 7.11×10^-6 to 1.07×10^-4 mol/L) for I_pa vs. [xanthine]

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图 4 不同物质在0.2 mol/L PBS (pH 7.0)中的循环伏安曲线: (A) 100 μmol/L非布索坦和100 μmol/L黄嘌呤, (B) 100 μmol/L非布索坦和100 μmol/L尿酸, (C) 100 μmol/L黄嘌呤和0.1 U•L^-1黄嘌呤氧化酶, (D) 100 μmol/L非布索坦、0.1 U•L^-1黄嘌呤氧化酶和100 μmol/L黄嘌呤, (E) 100 μmol/L别嘌呤醇和100 μmol/L黄嘌呤, (F) 100 μmol/L别嘌呤醇和100 μmol/L尿酸, (G) 100 μmol/L别嘌呤醇和0.1 U•L^-1黄嘌呤氧化酶和(H) 100 μmol/L别嘌呤醇、0.1 U•L^-1黄嘌呤氧化酶和100 μmol/L黄嘌呤.扫速为100 mV•s^-1

Figure 4 CVs of CS/N-RGO/GCE in the solution of 0.2 mol/L PBS (pH 7.0) in presence of different matters: (A) 100 μmol/L febuxostat and 100 μmol/L xanthine, (B) 100 μmol/L febuxostat and 100 μmol/L uric acid, (C) 100 μmol/L xanthine and 0.1 U•L^-1 XOD, (D) 100 μmol/L febuxostat, 0.1 U•L^-1 XOD, and 100 μmol/L xanthine, (E) 100 μmol/L allopurinol and 100 μmol/L xanthine, (F) 100 μmol/L allopurinol and 100 μmol/L uric acid, (G) 100 μmol/L allopurinol and 0.1 U•L^-1 XOD, and (H) 100 μmol/L allopurinol, 0.1 U•L^-1 XOD, and 100 μmol/L xanthine, at 100 mV•s^-1

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

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沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142