氧化铜纳米颗粒修饰铅笔石墨电极：选择性差分脉冲伏安法增强临床尿液样品中尿酸的检测

《Results in Chemistry》：Copper oxide nanoparticles modified pencil graphite electrodes: Enhancing uric acid in clinical urine sample detection with selective differential pulse voltammetry

　　

尿酸（UA）在临床样品中的水平可作为诊断痛风、高血压与心血管疾病、硬化症、阿尔茨海默病及视神经炎等相关健康障碍的有用指标。生理流体中共存组分的干扰是试图证明尿酸电化学测定时需要解决的关键问题。CuO NPs（Copper Oxide Nanoparticles，氧化铜纳米颗粒）通过水溶液化学生长法（Aqueous Chemical Growth Method）合成。将合成纳米颗粒沉积于预处理后的铅笔石墨电极（Pencil Graphite Electrode, PGE）表面是通过纳米颗粒悬浮液的滴涂法（Drop Casting）实现的。在差分脉冲伏安法（Differential Pulse Voltammetry, DPV）测量中，尿酸检测的电流响应相比未修饰电极提高了2.63倍。在优化的方法和溶液参数下，峰电流与尿酸浓度在1.21×10^?6 M至1.142×10^?4 M的宽范围内呈线性依赖关系，检测限（Limit of Detection, LOD）为6.25×10^?7 M，定量限（Limit of Quantification, LOQ）为2.084×10^?6 M，回收率结果优异（90.0%–99.3%）。所开发的传感器在潜在干扰物（抗坏血酸和酒石酸）存在下对尿酸显示出良好分离且可辨别的峰。该电极成功应用于磷酸盐缓冲溶液（pH=7）中临床尿液样品的尿酸检测。所提出的传感器显示出非常高的重现性和重复性，相对标准偏差（Relative Standard Deviation, RSD）为0.94%。综上所述，研究人员开发了一种基于PGEs的简单、低成本传感器，用于临床尿液样品中尿酸的灵敏和选择性检测。

该研究发表于《Results in Chemistry》期刊，旨在开发一种基于纳米材料修饰电极的电化学传感平台，以实现临床尿液样品中尿酸的高灵敏度和高选择性检测。

**研究背景与问题**

尿酸（2,6,8-三羟基嘌呤，UA）是嘌呤代谢的最终氧化产物，广泛存在于人体血液、唾液、血浆及尿液等生物流体中。尿酸水平不仅是评估人体代谢状况的重要指标，还与中枢神经系统及肾脏系统的功能密切相关。近年来，随着膳食结构的改善，人类高蛋白营养的过量摄入导致血液中尿酸水平通过生理反应不断升高。此外，过量饮酒、缺乏运动及精神压力等因素亦可影响尿酸水平。尿酸水平的异常升高可能导致痛风、高尿酸血症、肺炎、肥胖、糖尿病、高胆固醇血症、肾脏疾病及心脏病等多种疾病。因此，监测人体流体中的尿酸水平对于多种健康问题的诊断具有重要意义。

目前，已有多种分析技术用于尿酸的测定，包括高效液相色谱法（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）、高效液相色谱-质谱联用法（HPLC-Mass Spectrometry, HPLC-MS）、分光光度法及化学发光法等。然而，这些方法普遍存在耗时费力、成本高昂、需要熟练操作人员及精密仪器、涉及样品预处理程序等问题，不便于常规分析。相比之下，电化学方法具有简单、快速、经济、灵敏且准确的优势，已成为测定多种化合物的重要手段。化学修饰电极（Chemically Modified Electrodes, CMEs）为复杂样品中各种化合物的灵敏和选择性测定提供了巨大机遇。纳米材料因其独特的物理化学性质，在科学技术的多个领域得到广泛应用，特别是在临床诊断、环境保护和食品工业中具有重要价值。金属及金属氧化物纳米颗粒因其优异的物理和催化性能而被广泛采用。其中，CuO NPs展现出卓越的电催化特性，使其在化学传感、催化及半导体等领域具有应用潜力。尽管纳米材料修饰电极的研究众多，但此前尚未见使用CuO NPs修饰PGE用于临床尿液样品中尿酸电化学测定的 yield_color报道。因此，开发一种基于CuO NPs/PGE的高灵敏度和高选择性尿酸传感器具有重要的研究价值。

**主要技术方法**

本研究采用的技术路线主要包括：水溶液化学生长法合成CuO NPs；通过X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）、傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）、紫外-可见-近红外光谱（UV-Vis-NIR Spectroscopy）及循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）对纳米材料进行表征；采用电化学预处理技术活化PGE表面；利用滴涂法制备CuO NPs/PGE修饰电极；以K3[Fe(CN)6]/KNO3体系为电化学探针评估电极性能；采用差分脉冲伏安法进行尿酸的定量检测；通过优化实验条件确定最佳分析参数。临床尿液样品来源于埃塞俄比亚阿瓦萨Adare医院的患者。

**研究结果**

**电化学预处理铅笔石墨电极**：研究人员对PGE进行了电化学预处理，通过在0.1 M磷酸盐缓冲溶液（pH 7.0）中以100 mV/s的扫描速率在+1.5 V至+2.0 V（相对于Ag/AgCl）电位范围内扫描50个循环，成功引入了稳定的表面功能化。循环伏安图显示，随着扫描循环次数的增加，电流逐渐增大，表明电极表面形成了稳定的活化层。

**CuO纳米颗粒的表征**：XRD分析证实，合成产物为纯相单斜晶系CuO纳米颗粒，平均粒径为16.2 nm，与标准JCPDS卡片（45-0937）高度吻合，未见Cu2O或Cu(OH)2等杂质相。FTIR光谱在3232.5 cm^?1处观察到-OH伸缩振动峰，1559.8 cm^?1处为表面吸附水分子的-OH伸缩振动，1399.8 cm^?1处为-OH弯曲振动，400-850 cm^?1范围内的吸收峰归属于Cu-O、O-Cu-O及Cu-O-Cu晶格振动，其中CuO的伸缩振动带位于655 cm^?1。UV-Vis光谱分析显示，CuO NPs在266 nm处存在激子吸收峰，可归因于电子从价带至导带的光激发跃迁。

**滴涂体积对电极性能的影响**：研究人员考察了不同浓度CuO NPs（0.5 μM、1 μM、5 μM、10 μM、15 μM和20 μM）滴涂对电极性能的影响。结果表明，峰电流随CuO NPs沉积量的增加而增大，在10 μM时达到最优值；超过此浓度后，由于过量纳米颗粒对电极表面的堵塞效应，峰电流反而下降。

**裸电极与修饰电极的电化学表征**：以10 mM K3[Fe(CN)6]为电化学探针，对比研究了裸PGE和CuO NPs-PGE的性能差异。裸PGE的循环伏安图峰形较宽且不明显，而修饰后的电极呈现出尖锐的氧化还原峰，峰值电位差（ΔE_p）显著减小，表明电荷转移过程的可逆性增强。根据Randles-Sevcik方程计算，裸PGE的电化学活性表面积（Electrochemical Active Surface Area, EASA）为0.0128 cm²，而CuO NPs-PGE的EASA增至0.0278 cm²，证实了CuO NPs对电极电催化活性的显著提升作用。

**尿酸的差分脉冲伏安检测**：在0.1 M PBS（pH 7）中，以10 mM UA为分析对象，比较了裸PGE和CuO NPs-PGE的DPV响应。修饰电极呈现出对称的差分伏安峰，峰形优于未修饰电极，且电流响应提高了2.63倍，表明修饰显著改善了电极对尿酸测定的灵敏度。

**pH和支持电解质类型的影响**：在pH 5至8范围内考察了支持电解质对尿酸氧化行为的影响。结果显示，阳极峰电流随pH增大而增加，在pH 7时达到最大，pH 8时则开始下降。pH 7的磷酸缓冲液呈现出最佳的灵敏度和峰形，因此被确定为工作缓冲溶液。据此推断，尿酸在CuO NPs/PGE表面的氧化机制为失去两个电子和两个质子的过程。

**浓度效应与检测限**：在优化条件下，UA的氧化峰电流与其浓度在1 μM至10,000 μM范围内呈良好的线性关系，线性回归方程为I_pa（μA）= 0.123324[UA] + 0.71506，相关系数R² = 0.9987。基于3σ/slope和10σ/slope计算得到LOD为6.25×10^?7 M，LOQ为2.084×10^?6 M。与文献报道的其他尿酸传感器相比，该传感器的检测限较低，线性范围较宽。

**测定准确度**：通过加标回收实验评估了该方法的准确度。向已知浓度的尿液样品中加入标准尿酸溶液，计算得到回收率在90.0%至99.3%之间，表明该方法具有良好的准确度，检测结果与文献值相符。

**干扰研究与选择性**：研究了潜在干扰物质抗坏血酸（AA）和酒石酸（TA）对尿酸测定的影响。在10 mM UA、100 μM AA和100 μM TA的混合溶液中，AA和UA均产生峰响应，而TA几乎无响应。通过改变UA浓度（10 μM、100 μM、1 mM、10 mM）同时保持AA和TA浓度恒定（100 μM），观察到UA峰电流随其浓度增加而增大，而AA和TA的峰电流基本保持不变，表明传感器对UA具有良好的选择性响应。然而，若同时改变AA和TA的浓度，则会出现传感器响应降低的现象，这是由于过量物质在碳质材料表面的吸附积累导致电活性位点被堵塞。

**重现性与稳定性**：使用四支相同条件下制备的CuO NPs-PGE对10 mM UA进行测定，计算得到相对标准偏差（RSD%）为0.94%，表明电极间重现性良好。将修饰电极在室温下存放4天，考察其长期稳定性。结果显示，第四天的电催化活性较初始值略有下降，但整体变化幅度较小，表明该修饰电极具有可接受的储存稳定性。

**讨论与结论**

研究人员成功开发了一种基于CuO NPs修饰PGE的电化学传感器，用于临床尿液样品中尿酸的选择性检测。该传感器通过简单的水溶液化学生长法合成CuO NPs，采用滴涂法将其固定于经电化学预处理的PGE表面，显著提高了尿酸检测的灵敏度和选择性。修饰电极的电流响应较裸电极提高了2.63倍，这主要归因于CuO NPs增大了电极的电化学活性表面积，促进了电荷转移反应的进行。

该传感器在pH 7的磷酸盐缓冲溶液中表现出最佳的分析性能，对尿酸的线性检测范围为1.21×10^?6 M至1.142×10^?4 M，检测限低至6.25×10^?7 M，定量限为2.084×10^?6 M。在临床尿液样品的实际应用中，该传感器展现出优异的回收率（90.0%–99.3%），且能够有效区分尿酸与常见干扰物抗坏血酸和酒石酸。电极的重现性（RSD = 0.94%）和4天的储存稳定性均满足实际分析要求。

该研究的主要优势在于所用材料成本低廉、制备方法简便易行，且传感器性能可与传统玻碳电极（GCE）等昂贵基底上的修饰电极相媲美。然而，研究也存在一定的局限性：当干扰物浓度同时变化时，传感器的选择性会受到影响，提示若需同时测定多种分析物，仍需进一步的表面功能化设计。

综上所述，研究人员开发的基于CuO NPs/PGE的传感器是一种简单、低成本的电化学检测平台，可用于人体体液中尿酸水平的灵敏、选择性监测。该传感器的成功构建为相关健康问题的早期诊断提供了一种有前景的分析工具，在临床诊断和生物医学研究领域具有潜在的应用价值。