具有成本效益的氧化钴/氧化镍复合材料的制备方法，用于高效的非酶促电化学检测尿酸

《RSC Advances》：Cost-effective preparation of cobalt oxide/nickel oxide composite for the efficient non-enzymatic electrochemical detection of uric acid

　　阿斯兰·乌丁·库雷希（Arslan Uddin Qureshi）、胡迈拉·汗（Humaira Khan）、阿妮拉·塔希拉（Aneela Tahira）、沙伊斯塔·巴诺·梅蒙（Shaista Bano Memon）、阿斯玛·海亚特（Asma Hayat）、萨巴·纳兹（Saba Naz）、穆罕默德·阿里·巴蒂（Muhammad Ali Bhatti）、阿夫塔布·艾哈迈德·坎德（Aftab Ahmed Khand）、马泰奥·托内泽尔（Matteo Tonezzer）、布里吉特·维戈洛（Brigitte Vigolo）、埃尔穆埃兹·达维（Elmuez Dawi）、拉法特·M·易卜拉欣（Rafat M. Ibrahim）、扎法尔·侯赛因·伊布波托（Zafar Hussain Ibupoto）
信德大学贾姆肖罗分校化学研究所，巴基斯坦76080
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本研究强调了黄瓜（Cucumis melo）汁液作为可持续还原剂、结构导向剂、封端剂和稳定剂的潜力，通过改进的水热工艺来改变氧化镍（NiO）的表面特性、形状和尺寸。这种改性显著改变了NiO的光学带隙，随后将其与氧化钴（Co3O4）结合使用，以合成Co3O4/NiO复合材料。利用扫描电子显微镜（SEM）、粉末X射线衍射（XRD）和紫外-可见光谱（UV-visible spectrometry）等先进分析技术，全面研究了合成材料的物理和光学性质，包括其形态、晶体结构和光学行为，同时通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究了这些材料中的化学键。在所有复合材料中，还原型Co3O4/NiO-1复合材料的光学带隙为2.07 eV，在电化学非酶法检测尿酸（UA）方面表现出最明显的活性。该复合材料具有宽的操作范围，能够使用计时电流法检测从0.1 mM到16 mM的尿酸浓度，并在pH值为7.3的0.1 M磷酸盐缓冲溶液中达到7.63 × 10?4 μA mM?1 cm?2的高灵敏度和0.005 mM的低检测限。

**引言**
在嘌呤代谢过程中，由于人体内缺乏尿酸酶，会产生尿酸（UA）。通常，男性血清中的尿酸水平在200至430微摩尔/升（μM，即3.4至7.2毫克/分升（mg dL?1）之间，女性则在140至360 μM（2.4至6.1 mg dL?1）之间。如果尿酸水平超过这些范围，可能会导致多种健康问题，包括莱施-尼汉综合征（Lesch-Nyhan syndrome）、高血压、痛风和肾脏疾病。当尿酸水平超过7.0 mg dL?1（男性）或6.0 mg dL?1（女性）时，会导致体液酸化，影响细胞功能并增加肾衰竭和白血病的风险。因此，准确测量尿酸对于监测和诊断疾病至关重要。已经开发了多种方法来测定尿酸，包括色谱法、化学发光法、比色法、毛细管电泳法、光谱法以及非酶电化学传感器和酶生物传感器。然而，许多这些分析方法涉及复杂的程序，需要大量的时间和成本。由于酶的高灵敏度、操作简便性、速度快和选择性优异，酶法通常被用于大多数电化学尿酸传感器。但由于酶的成本高昂以及环境因素导致的储存问题，酶生物传感器并不适合大规模生产。此外，酶电化学传感器采用复杂的酶固定技术，且酶的高灵敏度不容忽视。最近的研究集中在开发无酶传感器上，主要使用纳米结构材料来克服这些挑战。这些传感器简单、灵敏度高且成本低廉。由于金属氧化物纳米结构传感器具有成本效益、便携性和易于操作的特点，它们正成为即时健康监测的理想平台。过渡金属氧化物具有优异的氧化还原性能，包括高电导率和丰富的催化位点，使其可用于下一代电化学生物医学设备。通过用导电聚合物修饰金属氧化物纳米结构，实现了电化学生物传感器的开发。引入多种官能团可以在聚合物和纳米材料之间建立有利的电化学介导，从而在检测生物分子时促进电子的有效转移。氧化钴（Co3O4）是一种p型半导体，具有较高的空穴强度，有助于捕获尿酸氧化过程中的电子。已经有多种方法用于制备Co3O4的不同形态，包括化学气相沉积、溶胶-凝胶法、湿化学法和电泳法。由于Co3O4的快速电子传输和优异的电催化性能，这些不同的形态被应用于电化学检测、能量存储和转换技术。由于其改进的电化学性能和电导率，Co3O4纳米结构被选为电极表面改性的首选材料，用于制造非酶传感器。Co3O4复合材料具有可调的金属氧化态、定制的形态、增强的电子传输能力和丰富的氧化还原化学性质。然而，许多基于Co3O4的复合材料是通过复杂且昂贵的方法制备的，因此需要开发新的策略来简便且低成本地制备Co3O4复合材料。

许多金属氧化物复合材料已被开发并应用于超级电容器、传感器、太阳能电池和光催化等领域。这些复合材料具有较大的表面积、高的电子传输率和最小的电子-空穴复合，因此在实际应用中表现出优异的性能。与单独使用Co3O4或NiO相比，将两者结合可以在改变电导率、表面积、催化位点和稳定性方面产生协同效应。NiO是一种半导体，具有电化学稳定性、催化活性且在地壳中含量丰富，但由于其较宽的光学带隙而限制了其广泛应用；而Co3O4具有较窄的带隙、尖晶石结构以及增强的催化位点。因此，NiO和Co3O4的结合可以产生独特的结构和功能，具有定制的电化学性质。这些方面表明，人们对投资这些材料用于各种应用越来越感兴趣。合成方法对材料的性质有重要影响，如表面性质、催化位点、界面处的电荷转移和电化学活性。绿色合成金属氧化物纳米复合材料为解决结构完整性、电导率、催化活性和稳定性问题提供了可持续的方法，从而提高了尿酸检测的生物传感性能。除了这些碳基生物分子引入的表面基团外，它们还影响电子传输动力学和活性位点的可及性，直接改善了尿酸的电催化检测效果。为了提高电荷传输速率，尚未关注通过绿色方法降低NiO的光学带隙。通过调整表面积和表面活性位点，可以降低NiO的光学带隙，然后将其与氧化钴结合，制备用于高效无酶传感应用的Co3O4/NiO复合材料。Co3O4/NiO复合材料的合成基于在电化学方法敏感检测尿酸过程中获得的优异氧化还原性能。此外，易于合成、地壳丰富性和环保特性也是选择Co3O4/NiO混合系统的重要因素。这些优势使得Co3O4/NiO复合材料优于其他金属氧化物。

本研究的目的是报道使用黄瓜汁液制备的Co3O4/NiO复合材料。黄瓜汁液中的植物化学物质包括碳水化合物、膳食纤维、黄酮类化合物、皂苷、生物碱、苷类和酚类化合物。特别是酚类化合物、碳水化合物和黄酮类化合物具有结构导向、还原、封端和稳定作用。因此，利用黄瓜来改变NiO的表面性质、形状、尺寸和表面积，从而降低了NiO的光学带隙。文献中尚未报道使用黄瓜和NiO降低NiO光学带隙的方法，随后将其与Co3O4结合制备无酶尿酸传感器。基于还原型Co3O4/NiO复合材料的非酶尿酸传感器表现出超高的灵敏度、高的催化氧化能力、宽的检测范围和低的检测限。

**材料与方法**
2.1. 化学试剂
所有化学品（包括六水合氯化镍、30%氨水溶液、尿酸、六水合氯化钴、磷酸二钠、磷酸一钾、尿素、葡萄糖、氯化钾、氢氧化钠和抗坏血酸）均从巴基斯坦信德省卡拉奇市的Sigma Aldrich公司购买，为分析级纯度，无需进一步纯化。使用去离子水制备了0.1 M磷酸盐缓冲液（PBS），作为电化学检测尿酸的溶液基础。

2.2. 通过改进的水热法绿色介导合成NiO纳米颗粒
采用改进的水热法（95°C，5小时）合成氧化镍纳米结构，随后在500°C下热退火5小时。将0.1 M六水合氯化镍溶解在300 mL去离子水中，然后逐渐加入5 mL 33%氨水，利用氨水在生长溶液中诱导氢氧根离子形成金属氢氧化物。为了绿色介导合成，准备了两个烧杯，分别含有0.5 mL和1 mL黄瓜汁液，标记为还原型NiO-1和还原型NiO-2。所有烧杯均用铝箔密封以防污染。所得的浅绿色金属氢氧化物沉淀物经真空过滤，用去离子水彻底清洗后过夜干燥。最终通过500°C下空气中煅烧5小时将金属氢氧化物转化为NiO。使用相同程序制备了未经生物添加剂处理的原始NiO（对照样品）。

2.3. 通过水热法合成Co3O4/NiO复合材料
将0.3 g和0.5 g还原型NiO（按2.2节所述方法制备）加入0.1 M六水合氯化钴（CoCl2·6H2O）中，然后在剧烈搅拌下逐渐加入5 mL浓氨水。作为参考，使用0.1 M六水合氯化钴和5 mL氨水制备了Co3O4前驱体，总体积为100 mL生长溶液。为了促进复合材料生长，反应混合物用铝箔密封并在低于95°C的温度下加热4小时。所得材料经真空过滤，用去离子水彻底清洗后过夜干燥。在500°C下煅烧7小时，使Co3O4沉积在NiO上，得到复合材料和纯Co3O4。作为对比，使用纯NiO（按2.2节方法制备）制备了纯Co3O4/NiO复合材料。该方法始终能生产出高质量的Co3O4/NiO纳米颗粒（NCPs），证明了其在可持续纳米材料制备中的有效性。图1提供了植物化学介导的Co3O4/NiO复合材料合成示意图。

2.4. 使用Co3O4/NiO复合材料进行非酶电化学检测尿酸
采用循环伏安法（CV）、计时电流法（chronoamperometry）、线性扫描伏安法（LSV）和电化学阻抗谱（EIS）对Co3O4/NiO复合材料进行非酶尿酸检测。这些测量在标准三电极系统中进行，包括面积为3 mm的玻璃碳工作电极（GCE）、银-氯化银参比电极（Ag/AgCl，3 M KCl）和铂（Pt）丝对电极。GCE的面积为0.013 cm2。GCE先用氧化铝浆抛光，再用抛光布处理，并用去离子水彻底清洗。清洁后的GCE用含有约5 mg NiO或Co3O4/NiO复合材料和50 μL 5% Nafion（6:4 v/v，6 mL异丙醇和4 mL甲醇）的均匀墨水修饰。然后使用滴涂法将5 μL材料墨水沉积在清洁后的GCE上，并在室温下用空气吹干，使负载质量约为20 μg cm?2。制备了一种0.05 M的尿酸（UA）储备溶液，该溶液溶解在pH为7.3的0.1 M磷酸盐缓冲液（PBS）中。通过测试1.0 mM的干扰物（包括抗坏血酸、尿素、葡萄糖和电解质离子）在添加了UA的PBS中的反应来评估选择性。线性范围和检测限（LOD）是根据之前的研究结果确定的。472.5。结构表征采用了多种分析方法，包括粉末X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱和紫外-可见光谱，以研究NiO和Co3O4/NiO复合材料的晶体结构、纯度、形态、官能团和光学带隙。复合材料的XRD图谱是使用Bruker-D8 Advance ECO衍射仪获得的。化学键合特性通过FTIR光谱仪进行分析。复合材料的光学性质使用Shimadzu UV-2900光谱仪在200–700 nm的波长范围内进行测量。Co3O4/NiO复合材料的形态通过EVO18-CARL ZEISS仪器进行扫描电子显微镜（SEM）研究。3. 结果与讨论3.1. 合成材料的晶体、官能团、光学和形态分析使用粉末XRD技术分析了纯NiO、纯Co3O4、还原NiO-1、还原NiO-2、纯Co3O4/NiO、还原Co3O4/NiO-1和还原Co3O4/NiO-2复合材料的晶体结构、相和纯度。图1a显示了纯NiO的立方相的独特衍射图谱，与标准图谱（JCPDS卡片编号：03-065-6920）一致。48., 49。使用0.5 mL和1.0 mL的Cucumis melo汁液合成的还原NiO纳米结构显示出衍射图谱强度的轻微下降，表明Cucumis melo中的植物化学物质对其产生了影响。这些植物化学物质可能改变了晶体生长动力学，影响了NiO纳米结构的大小和形状，从而降低了衍射图谱的强度。图1b显示了纯Co3O4的XRD图谱，与Co3O4的标准图谱（JCPDS 01-074-2120）50., 51）非常吻合，并描述了其立方相。图1b还展示了还原Co3O4/NiO-1和2复合材料的XRD图谱。这两种复合材料都显示了NiO和氧化钴的特征立方相，证实了具有优异晶体性质的Co3O4/NiO复合材料的成功形成（图1b）。XRD分析中未发现杂质或其他相，确保了合成纳米材料的结构纯度。52., 53., 54。为了识别金属-氧和各种官能团的化学键合，在室温下测量了NiO纳米结构和Co3O4/NiO复合材料的FTIR光谱。文献表明，纯NiO的FTIR光谱通常在400–700 cm?1范围内显示明显的Ni–O伸缩峰。55 纯NiO、纯Co3O4以及还原NiO-1和2复合材料的FTIR光谱如图2a所示。在478 cm?1、550 cm?1、810 cm?1、1387 cm?1、1429 cm?1、2224 cm?1、3458 cm?1和3621 cm?1等频率处观察到了不同的IR带。IR带的轻微变化可能归因于水热条件的差异以及材料大小和形状的变化（图2a）。还原NiO-1在297 cm?1、701 cm?1和604 cm?1处出现了额外的峰。487和667 cm?1处的带归因于NiO，而3621 cm?1和1429 cm?1处的带则归因于表面吸附的羟基。2224 cm?1处的带可能是由于大气中的二氧化碳。其他IR带被归因于Cucumis melo生长前体中的官能团。在指纹区域（500–1000 cm?1），改变的吸收带证实了Co3O4/NiO核壳异质结构的形成，显示出由于M–O（M = Co和Ni）伸缩振动和界面电荷转移的协同效应（图2b）。如图2b所示，复合材料的IR带包括425 cm?1、531 cm?1、903 cm?1、1387 cm?1、1517 cm?1、2228 cm?1和3613 cm?1。FTIR分析确认了Co3O4/NiO复合材料的成功形成，完全支持了XRD的结果。下载：下载高分辨率图像（532KB）下载：下载全尺寸图像图1. (a) 纯NiO纳米结构和还原NiO纳米结构的粉末反射图；(b) 纯Co3O4/NiO以及还原Co3O4/NiO复合材料的粉末反射图。下载：下载高分辨率图像（447KB）下载：下载全尺寸图像图2. (a) 纯NiO和还原NiO纳米结构的FTIR光谱；(b) 纯Co3O4/NiO以及还原Co3O4/NiO复合材料的FTIR光谱。为了评估Cucumis melo对NiO光学带隙的影响，记录了纯NiO和使用0.5 mL和1 mL Cucumis melo合成的绿色介导的NiO（还原NiO-1和2）的紫外-可见吸收光谱，详见补充信息（SI）（图S1）。Cucumis melo含有多种植物化学物质，预计会改变NiO的形态、大小和表面积，从而调节光学带隙。这种调节由颗粒大小、表面积和结构的变化驱动，预期会增强电荷转移动力学并提高NiO的电化学活性。纯Co3O4/NiO复合材料和还原Co3O4/NiO复合材料的紫外-可见吸收光谱见补充信息（SI）（图S1）。在200至600 nm范围内观察到肩峰。在所有合成的纳米材料中，大约300–350 nm处识别出一个与激子跃迁相关的峰。56 使用Tauc图确定了每种材料的光学带隙值，如图S1所示。纯NiO、还原NiO-1和还原NiO-2的光学带隙值分别为3.10 eV、2.66 eV和2.98 eV（图3c）。包括纯Co3O4/NiO以及还原Co3O4/NiO-1和2复合材料的复合材料的光学带隙值分别为2.58 eV、2.07 eV和2.38 eV（图S1）。光学带隙值的变化可以归因于表面形态、颗粒大小和结构缺陷的变化（电子更容易移除），可能是由于更高的电荷密度（更多的电子云）以及由于氧化状态和合成方法的不同而导致的结合能降低。57 进行了SEM分析以研究合成材料的形态。使用0.5 mL和1 mL Cucumis melo合成的纯NiO、还原NiO-1和2、纯Co3O4、纯Co3O4/NiO复合材料以及还原Co3O4/NiO-1和还原Co3O4/NiO-2复合材料的SEM显微照片见图3。纯NiO显示出片状形态，横向尺寸约为100 nm，厚度小于20 nm（图3a）。样品中的片状结构是均匀的。使用Cucumis melo汁液引起了显著的形态变化（图3b和c）。尽管保持了片状结构，但使用0.5 mL Cucumis melo合成的还原NiO-1样品呈现为密集堆积的颗粒（图3b），而使用1 mL Cucumis melo时，纳米颗粒类似于纯NiO（图3c）。Cucumis melo中的植物化学物质，如酚类化合物、碳水化合物和黄酮类，在NiO生长过程中起到了还原、稳定和导向结构的作用；因此它们共同改变了大小和表面性质。与纯Co3O4/NiO复合材料（图3d）相比，还原Co3O4/NiO复合材料显示出更小的颗粒，特别是使用0.5 mL Cucumis melo合成的还原Co3O4/NiO-1复合材料（图3e和f）。总体而言，SEM研究表明，在化学修饰后观察到了形态上的变化，尤其是尺寸的显著减小。这种表面性质的改善预计会对它们的电化学性能产生积极影响。裸露的Co3O表现出典型的纳米棒状颗粒形态，详见补充信息（图S2）。纳米棒的长度可达几微米，组装的纳米颗粒的大小可能小于200 nm。下载：下载高分辨率图像（4MB）下载：下载全尺寸图像图3. (a) 纯NiO的SEM图像；(b) 使用0.5 mL Cucumis melo合成的还原NiO-1；(c) 使用1 mL Cucumis melo合成的还原NiO-2；(d) 纯Co3O4/NiO复合材料；(e) 使用0.5 mL Cucumis melo合成的还原Co3O4/NiO-1；(f) 使用1 mL Cucumis melo合成的还原Co3O4/NiO-2复合材料。3.2. 使用非酶传感方法在Co3O4/NiO复合材料上对UA进行电化学氧化将含有纯NiO和Co3O4、还原NiO-1和2、纯Co3O4/NiO复合材料以及还原Co3O4/NiO-1和2复合材料的修饰GCE作为三电极电池设置中的工作电极，电解质为0.1 M PBS（pH 7.3）。在0.5 mM UA溶液中以50 mV的扫描速率对裸露的GCE、纯NiO和Co3O4、还原NiO-1和2以及纯Co3O4/NiO复合材料以及还原Co3O4/NiO-1和2复合材料进行了CV分析（图4a）。电化学活性高度依赖于制备方法和生长条件。纯NiO和裸露的GCE没有表现出显著的电化学活性，而还原NiO-1和2由于Cucumis melo中的植物化学物质（含有蛋白质、多酚和黄酮类）的表面修饰而表现出氧化性质，这些物质减小了颗粒大小，形成了片状结构，并增强了催化性能。还原NiO在UA氧化中的电化学性能略高。纯Co3O4/NiO复合材料在UA氧化过程中的氧化还原特性低于纯Co3O4，而还原Co3O4/NiO-1复合材料（最佳样品）表现出优异的氧化性能，使其成为本研究中最高效的电催化材料。将还原NiO与Co3O4结合制备还原Co3O4/NiO复合材料提供了丰富的表面活性位点、有利的形态、快速的电荷转移动力学和协同效应，从而提高了电化学性能。初步的CV分析表明，材料的电化学性能高度依赖于形状、大小和表面活性位点。为了进一步分析还原Co3O4/NiO复合材料的电化学性能，其在0.1 M PBS（pH 7.3）中进行了测试，并与电解液中的纯Co3O4/NiO复合材料进行了比较（图4b）。这一分析显示电解液的贡献可以忽略不计，而还原Co3O4/NiO复合材料在0.5 mM UA中的响应表明氧化峰主要来自UA的氧化。这一初步的CV分析证实了还原Co3O4/NiO复合材料在非酶传感应用中的高潜力。随后通过扫描速率分析研究了复合材料的电荷转移动力学，并确定了其在UA传感器中的工作范围、稳定性、选择性和实际应用。在0.5 mM UA溶液中不同扫描速率下对还原Co3O4/NiO复合材料进行的扫描速率分析（图4c）显示氧化峰电流呈线性增加，但没有适当的还原峰，表明电极的行为是不可逆的。扫描速率的增加导致峰电位向更正的值移动，这是由于电荷转移缓慢或溶液电阻造成的。随着扫描速率的增加，电阻的增加导致峰电流的增加（图4c）。氧化峰电流与扫描速率的平方根作图（图4d），显示出回归系数为0.99的线性拟合。这证实了修饰电极的优异扩散控制性能及其适合于控制电荷转移动力学。UA（C5H4N4O3）的电催化氧化经历了2电子、2质子的氧化，形成Allantoin（C4H6N4O3）：1在这里，观察到还原Co3O4/NiO复合材料中存在（Co+2/Co+3）的混合氧化态。此外，Co3O4在UA传感器中作为活性催化剂，确保了UA的氧化，而NiO提供了具有高表面积的稳定基质，从而提高了Co3O4的稳定性，保证了Co3O4的均匀分散并避免了聚集。UA传感机制在方案2中进行了简要描述。下载：下载高分辨率图像（945KB）下载：下载全尺寸图像

图4. (a) 在pH 7.3和50 mV s?1的扫描速率下，纯NiO以及还原型NiO-1和NiO-2纳米结构在0.1 M PBS中的主要信号CV曲线；(b) 仅在磷酸盐缓冲溶液中的裸GCE（黑色），纯NiO（蓝色），还原型NiO-1（海军蓝），以及还原型NiO-2（灰色）在pH 7.3的0.1 M PBS中用0.5 mM UA制备；(c) 纯Co3O4/NiO（橄榄色），纯Co3O4（浅洋红色），以及Co3O4/NiO-1（橙色）在pH 7.3的0.1 M PBS中用0.5 mM UA制备；(d) 在pH 7.3的0.1 M PBS中，以50 mV s?1的扫描速率下，纯Co3O4/NiO、还原型Co3O4/NiO-1和还原型Co3O4/NiO-2复合材料的CV曲线；(e) 在pH 7.3的0.1 M PBS中，用0.5 mM UA制备的还原型Co3O4/NiO复合材料在不同扫描速率下的CV曲线；(f) 氧化峰电流与不同扫描速率的线性关系图。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像

方案2. 尿酸在Co3O4/NiO电极上的氧化反应机制。

3.3. Co3O4/NiO-1复合材料的工作范围、稳定性和选择性研究
采用多种电化学方法评估了基于Co3O4/NiO复合材料的非酶促UA传感器的性能，如图5a所示。在pH 7.3的PBS中，使用不同浓度的UA对Co3O4/NiO复合材料进行循环伏安法（CV）测试，以确定传感器的线性范围。如图5a所示，传感器对UA的检测范围很广，从0.5 mM到16 mM。观察到随着UA的连续添加，氧化峰电流增加，有效调整了Co3O4/NiO复合材料对UA的检测电位。值得注意的是，每种UA浓度下产生的显著电流突显了传感器的灵敏度。随着UA的添加，峰电位略有变化，这可能是由于电荷转移动力学缓慢和欧姆降所致。通过将氧化峰电流与UA浓度作图，进一步确认了传感器的线性关系，回归系数为0.99（见图5b），表明了传感器的准确分析性能。所提出的非酶促UA传感器的优异线性范围可归因于改性的表面、增加的催化位点、快速的电荷转移动力学以及稳定的还原型Co3O4/NiO复合基质。还原型NiO组分通过改变尺寸、形状、表面积和缺陷（采用绿色介导的方法）降低了光学带隙，从而增强了电子转移导电性，并提供了广泛的表面和尺寸特性。此外，还原型NiO与Co3O4的结合增强了催化位点，改善了电荷传输，并稳定了Co3O4/NiO复合材料，使其在非酶促尿酸氧化方面表现出优异的电化学性能。使用LSV（线性扫描伏安法）在50 mV s?1的扫描速率下，通过连续添加UA来确定传感器的工作范围。LSV曲线（图5c）显示了宽广的检测范围（0.1–17 mM），这归功于还原型Co3O4/NiO复合材料的独特基质，使其能够灵敏地检测UA。通过将峰电流与UA浓度作图得到的线性图（图5d）显示回归系数为0.99，表明了出色的分析性能。在0.4 V vs. Ag/AgCl条件下进行的计时安培分析（图5e）证实了电流随UA浓度的线性增加，另一个线性图（图5f）的回归系数也为0.99。CV、LSV和计时安培方法验证了传感器的宽广线性范围和高精度，使其成为一种有前景的分析工具。灵敏度通过以下表达式计算得出：

S = 灵敏度，I = 测量电流（uA），A = 工作电极面积（0.013 cm2），C = 分析物浓度（mM），m = 标准化斜率，b = 标准化截距。

图5. (a) 在pH 7.3的0.1 M PBS中，不同UA浓度下还原型Co3O4/NiO复合材料的CV曲线；(b) 尿酸氧化峰电流与不同UA浓度的线性关系图；(c) 在pH 7.3的0.1 M PBS中，存在不同浓度UA的情况下，还原型Co3O4/NiO复合材料的线性扫描伏安曲线；(d) 随着UA浓度连续增加，峰电流的线性图；(e) 在pH 7.3的0.1 M PBS中，用0.4 V vs. Ag/AgCl固定电位下，不同UA浓度下还原型Co3O4/NiO复合材料的计时安培响应曲线；(f) 每条计时安培响应曲线的上升电流与相应UA浓度的线性图。

在0.1 mM到16 mM的线性范围内，还原型Co3O4/NiO复合材料的灵敏度为7.63 × 10?4 μA mM?1 cm?2。然而，检测限（LOD）和定量限（LOQ）通过计时安培法使用以下公式进行测定：LOD = 3.3 SD/S，LOQ = 10 SD/S。所提出的UA传感器的灵敏度（S）和标准偏差（SD）是关键参数。估计的计时安培LOD和LOQ值分别为0.005 mM和0.008 mM。较低的LOD突显了基于Co3O4/NiO复合材料的非酶促UA传感器监测人体液中高UA水平的潜力。考虑到计时安培方法的快速和灵敏特性，本研究建议将其作为非酶促检测UA的主要方法。血清中的正常UA范围是0.15–0.48 mM。尿液中UA的正常排泄量为每24小时1.48至4.43 mM。这些是关于正常条件下尿液和血清样本中UA存在的临床观察结果。所提出的方法显示出宽广的线性范围，表明该方法能够有效检测正常范围及以上的UA。从临床角度来看，这可以用于UA水平较高的患者。高线性范围归因于设计材料的高效传感性能。在我们的研究中，我们旨在设计一种具有高电催化性能的材料配置；因此，我们展示了一种非常适合检测UA水平较高患者的材料。非酶促UA传感器的选择性对于确认其在存在竞争干扰剂环境中的适用性至关重要。为此，我们在50 mV s?1的扫描速率下为每种干扰剂测量了单独的CV曲线。通过CV（图6a）评估了选择性，结果显示在PBS（pH 7.3）中，含有1 mM UA的0.1 mM抗坏血酸、尿素、葡萄糖、钠、钾和镁离子存在下，峰电流变化可以忽略不计。这些观察结果通过选择性分析期间的CV曲线显示，表明所提出的传感器仅对UA显示出清晰的氧化峰；然而，常见干扰剂的CV曲线中没有显著的氧化峰（见图6a）。通过16次连续CV循环评估了稳定性（见图S3），显示峰电流和电位变化很小。如图S3所示，重复性显示氧化峰电流的偏差小于5%，证实了出色的重复性。使用计时安培法在大约0.4 V vs. Ag/AgCl条件下，对还原型Co3O4/NiO基UA传感器进行了60小时的长期稳定性研究（见图6b）。可以看出，所提出的传感器在60小时内电流没有显著波动，因此可以用于长期应用。

图6. (a) 在pH 7.3的0.1 M PBS中，用1.0 mM UA制备的还原型Co3O4/NiO复合材料在50 mV s?1扫描速率下测量不同CV曲线的选择性；(b) 在0.5 mM UA条件下，0.4 V vs. Ag/AgCl的60小时计时安培响应。

为了研究合成纳米复合材料的电化学活性表面积（ECSA），基于在0.1 M PBS介质中不同扫描速率下的CV曲线的非法拉第行为确定了双层电容（Cdl）（见图S4）。使用非法拉第CV曲线在不同扫描速率下分析了纯NiO、还原型NiO-1和NiO-2、纯Co3O4/NiO复合材料和还原型Co3O4/NiO复合材料的电化学性能。所有材料的CV曲线（见图S4）在广泛的扫描速率范围内表现出典型的非法拉第响应。通过计算每个扫描速率下阳极和阴极电流密度之差构建了线性图（图7a），斜率代表Cdl。纯NiO、还原型NiO-1和NiO-2的Cdl值分别为1.4、1.9和1.8 μF cm?2。纯Co3O4/NiO和还原型Co3O4/NiO复合材料的线性图见图7b。这些复合系统的相应Cdl值分别为1.8和4.0 μF cm?2。为了精确计算ECSA值，我们使用了以下公式：

ECSA = Cdl/Cspecific，
其中Cspecific是比电容。

图7. (a) 和 (b) 每个扫描速率下阳极电流密度差的线性图，用于量化ECSA。

纯NiO、还原型NiO-1和NiO-2、纯Co3O4/NiO以及还原型Co3O4/NiO复合材料的ECSA值分别为35 cm2 g?1、47.5 cm2 g?1、45.1 cm2 g?1、45.5 cm2 g?1和100 cm2 g?1。还原型Co3O4/NiO复合材料表现出显著高的活性表面积，使其适合灵敏检测UA。

理解电荷转移动力学对于阐明电催化材料的改进电化学性能至关重要。所有合成材料都在0.1 Hz到100 kHz的频率范围内进行了EIS（电化学阻抗谱）测量，振幅为5 mV，偏置电位设置为UA的氧化电位（0.4 V）。原始EIS数据使用包括内部电阻（Rs）、电荷转移电阻（Rct）和恒相元件（CPE）在内的等效电路进行拟合。拟合EIS数据后，纯NiO、还原型NiO-1和NiO-2、纯Co3O4/NiO复合材料以及还原型Co3O4/NiO复合材料的相应Nyquist图分别显示在图8a和b中。从Nyquist图中可以看出，Co3O4/NiO复合材料的电荷转移电阻（Rct）最低。纯NiO、还原型NiO-1和NiO-2、纯Co3O4/NiO复合材料以及还原型Co3O4/NiO复合材料的Rct值分别为19?062 Ohm、9476 Ohm、10?572 Ohm、10?660 Ohm和2751 Ohm。Rct值高度依赖于电解质的性质。与其他材料相比，还原型Co3O4/NiO复合材料表现出相对较低的Rct值，表明其在电极和电解质界面具有有利的电荷转移动力学。电催化材料的导电性增强促进了电催化反应过程中的电子迁移。EIS分析显示，还原后的Co3O4/NiO复合材料的导电性优于其他材料，这是由于其具有大量的可利用氧化位点，从而增加了载流子密度并降低了电阻，因此在UA氧化过程中提供了更强的电信号。下载：下载高分辨率图片（465KB）下载：下载全尺寸图片图8. (a) 和 (b) 使用EIS拟合数据获得的纯NiO、纯Co3O4/NiO复合材料、还原后的NiO-1/2复合材料和还原后的Co3O4/NiO-1复合材料在0.1 M PBS、pH 7.3条件下1.0 mM UA中的Nyquist图；插图：包含定义元素的拟合电路，如溶液电阻（Rs）、电荷转移电阻（Rct）和恒相位元素双层（CPEdl）。

3.4 实际样品应用
为了评估还原后的Co3O4/NiO复合材料作为非酶法UA传感器在血清样本中检测UA的可行性，首先使用该传感器检测了血清中的UA。在作者名单上的两个人的同意下收集了两份血液样本。通过室温下的浓缩过程从全血样本中分离出血清。浓缩后，使用移液管收集上层液体。随后向血清样本中添加不同的物质，并进行了UA检测。性能评估采用以下公式计算百分比回收率（%）：下载：下载高分辨率图片（7KB）下载：下载全尺寸图片
表1给出了计算出的百分比回收率值。结果表明，还原后的Co3O4/NiO复合材料基非酶法UA传感器的分析性能优异，RSD较低，证实了其在实际样品中定量UA的优越性。然而，由于实际血清样本中可能存在其他物质，百分比回收率略有上升。所呈现的电催化材料的整体性能高度依赖于其结构、形态、表面和尺寸，这些材料设计方面的因素已有相关报道。表2比较了还原后的Co3O4/NiO复合材料与现有改性电极在UA检测方面的性能。显然，这种电催化材料简单、成本低廉、高效且环保，适用于UA的宽范围定量，其性能优于或可与许多现有材料相媲美；因此，它可以作为实际样品中UA检测的替代材料。

表1. 使用实际样品和标准添加法检测UA时还原后的Co3O4/NiO复合材料的百分比回收率
样品ID 添加的UA (mM) 找到的UA (mM) 百分比回收率 RSD (%)
Blood-1 —— 0.7 —— 1.0 1.68 ± 0.03 99 3.1 ± 0.42
2.0 3.76 ± 0.04
10 2.44 ± 0.63 3.05.89 ± 0.05
10 3.48 ± 0.3
Blood-2 —— 0.6 —— 1.0 1.61 ± 0.04 10 3.21 ± 0.72
2.0 3.73 ± 0.04
10 4.47 ± 0.93 3.05.78 ± 0.05
10 3.4 ± 0.8

表2. 还原后的Co3O4/NiO复合材料非酶法UA检测与最近开发的改性电极材料的比较分析
传感电极材料 线性范围 (mM) 检测限 (mM)
参考文献
ITO-rGO-AuNPs 0.01–0.5 0.003 67
Co3O4 nanoberries/GCE 0.005–3.0 0.002 68
多孔Co3O4/GCE 0.01–2.5 0.010 22
NiCo2O4NPs 0.1–8.0 0.005 69
Co3O4 puffyballs/GCE 0.01–1.5 0.002 70
CuNi-MoF@rGO 0.01–1.0 0.009 72
ZnS/RGO 0.01–2.0 0.048 73
Co3O4/NiO 0.1–16.0 0.005

4. 结论
总之，利用黄瓜（Cucumis melo）中的植物化学物质修改了NiO的表面和结构，使其光学带隙减小。将光学带隙为2.07 eV的NiO-1与Co3O4结合，形成了光学带隙为2.66 eV的还原后的Co3O4/NiO-1复合材料。通过XRD分析了该复合材料的晶体性质，确认了NiO和氧化钴的立方相，从而验证了复合体系的形成。这些发现进一步得到了FTIR分析的支持。评估了还原后的Co3O4/NiO复合材料在0.1 M PBS（pH 7.3）中非酶法检测UA的电化学性能。该传感器使用计时电流法显示了从0.1 mM到16 mM的宽线性检测范围，检测限（LOD）为0.005 mM。复合材料表现出优异的稳定性和选择性。改性电极性能的提升归因于快速的电荷传输、丰富的催化位点、表面修饰、有利的形态以及还原后的Co3O4/NiO复合材料内的协同效应。该复合材料的优异电化学性能突显了其在实时生物医学设备和能源相关应用中的潜力。

伦理声明
所有与人类血液样本相关的实验均遵循信德大学伦理委员会的指导方针，并获得了巴基斯坦信德省詹绍罗大学伦理委员会的批准。本研究的人类参与者均签署了知情同意书。

作者贡献
Arslan Uddin Qureshi：材料合成和部分电化学测试。
Humaira Khan：监督。
Aneela Tahira：XRD分析。
Shaista Bano Memon：实际样品制备和分析。
Asma Hayat：紫外-可见光测量。
Saba Naz：光学带隙分析。
Muhammad Ali Bhatti：EIS分析。
Aftab Ahmed Khand：传感器性能评估。
Matteo Tonezzer：XRD测量。
Brigitte Vigolo：SEM分析。
Elmuez Dawi：结果可视化和草稿编辑。
Rafat M. Ibrahim：结果验证和草稿编辑。
Zafar Hussain Ibupoto：监督、研究概念化及手稿初稿撰写。

利益冲突
作者在所呈现的研究工作中没有利益冲突和竞争利益。

数据可用性
作者声明，支持本研究发现的数据可在论文中找到。

补充信息（SI）：Co3O4的形态、光学带隙、改性电极的可重复性以及不同扫描速率下合成材料的电流密度。详见DOI：https://doi.org/10.1039/d6ra01598k。