Au 나노입자 수정 유리 탄소 전극에서 요산의 향상된 광전기화학적 검출

결과 및 토론

전극의 형태 및 특성

주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 GCE 표면의 Au 나노 입자 형태를 특성화했습니다. Au 나노입자는 3 × 10 ^-3 의 일정한 전기량으로 −0.2V의 일정한 전위에서 형성되었다. C, 그리고 GCE 표면의 Au 입자의 이론적 밀도는 28.9μg/cm ² 으로 계산되었습니다. . 그림 1a는 GCE 표면이 점 모양의 금 나노 입자로 조밀하게 덮여 있음을 보여줍니다. 그림 1b는 더 높은 배율에서 표면 형태를 나타내고 부드럽고 구형의 AuNP가 GCE 표면에 균일하게 분산됨을 보여줍니다. 도 1b의 삽입에 도시된 입자 크기 분포 히스토그램은 잘 분산된 AuNP가 좁은 크기 분포를 갖고 계산된 평균 직경이 약 26.1nm임을 나타내었다. 자세한 관찰은 또한 얻은 AuNP가 거의 단분산되어 서로 연결이 더 적다는 것을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다. 결론적으로 이러한 유리한 조건은 전도성을 나타내어 활성 표면적을 크게 증가시켰고 궁극적으로 검출 효율을 향상시켰습니다.

하단(a)에서 Au/GCE의 SEM 이미지 ) 및 더 높은 배율(b ). 삽입 :해당 Au 나노입자 크기 분포 히스토그램

주기적 전압전류법 동작

Au에 의해 수정된 후 2.5mM Fe(CN)₆의 CV ^3/4− + 0.1M KCl 용액을 사용하여 베어 GCE와 비교했습니다(추가 파일 1:그림 S1). Au/GCE의 CV 곡선은 한 쌍의 대칭 산화환원 피크를 보여 더 높은 응답 전류와 더 작은 피크 전위 분리를 나타냅니다(ΔE p =63 mV) 베어 GCE보다 위의 데이터에서 Au/GCE의 전자 전달이 베어 GCE의 전자 전달보다 우수하다는 결론을 내릴 수 있습니다.

그림 2는 4개의 원에 대해 각각 (a) 및 (b) 가시광 조명이 없는 1.0mM UA를 포함하는 0.1M PBS(pH 7.0) 용액에서 Au/GCE의 CV 곡선을 보여줍니다. 크세논 램프에서 작업 전극 표면까지의 거리를 20cm로 설정했을 때 가장 강력한 가시광선 강도를 나타내는 것으로 나타났다. 구체적으로, UA의 양극 피크 전류는 가시광 조명 아래에서 20μA인 반면, 가시광 조명 없이 양극 피크 전류의 최대값은 12μA에 불과했습니다. 또한 가시광선이 있으면 피크 전류가 안정적인 값을 유지했습니다. 그럼에도 불구하고 피크 전류 값은 가시광 조명 없이 연속적인 편차를 보였다. 또한 가시광 조명 아래에서 Au/GCE의 산화 피크 전위는 가시광 조명 없이보다 약 6mV 음입니다. 위의 조사에서 우리는 가시광선이 UA의 전기산화에 대한 Au/GCE의 광전기촉매 성능을 향상시킬 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다.

(a)와 함께 1.0mM UA를 포함하는 0.1M PBS(pH 7.0) 용액의 Au/GCE CV (b) 없이 가시광선 조명. 스캔 속도 50mV s ⁻¹

가시광선 조명 효과

가시광 조명의 영향은 연속적인 순환 전압전류법(cyclic voltammetry) 과정에서 특정 시간에 가시광 조명을 추가하여 연구하였다. 그림 3a와 같이 화살표가 가리키는 지점에서 가시광선이 시작되었다. 커브 1은 가시광선 조명이 없는 CV의 마지막 랩이었습니다. 곡선 2는 그림 2에 따라 이론적으로 전류가 증가하기 시작한 대략 0.35V의 전위에서 가시광 조명이 시작된 전이 과정이었습니다. 전극이 가시광 조명에 노출되면 전류가 나타납니다. 오름차순 경향이 있으며 역 스캔 단면의 CV 곡선은 가시 광선 조명 아래에서 곡선과 거의 겹칩니다. 가시광선이 완전히 조사된 상태에서 CV 곡선은 곡선 3으로 나타나며, 위에서 설명한 바와 같이 전류가 안정적으로 유지되었습니다. 그림 3b는 0.48V의 전위에서 1.0mM UA를 포함하는 0.1M PBS(pH 7.0) 용액에서 가시광선 조명 하에서 Au/GCE의 광전류 응답을 보여줍니다. 이때 전류는 그림 2에서 최대값에 도달합니다. 준비된 전극 다음에 전류-시간(I –그 ) 곡선. UA 감지를 위한 빛과 빛이 없는 조건을 비교하기 위해 X 램프 조명을 주기적으로 중단했습니다. 조명이 차단된 상태에서 광전류가 순간적으로 떨어졌다가 조명을 켜면 광전류가 빠르게 증가하여 짧은 시간에 평형값에 도달함을 알 수 있다. 그림에서 보여지는 완벽한 주기성은 가시광선 조명에 대한 응답이 안정적이고 응답에 필요한 시간이 동일함을 나타냅니다. 가시광 조명 아래에서 Au 나노입자의 표면 플라즈몬 공명(SPR) 효과는 한쪽에서 Au/GCE의 증가된 광전류를 설명할 수 있습니다. 준비된 AuNP의 UV-vis 분광법은 추가 파일 1:그림 S2에 나와 있습니다. 흡수 피크는 597nm의 파장에 위치했으며 이는 일부 이전 보고서의 파장과 비슷합니다[31, 32]. 구체적으로 Au 나노입자는 가시광선 에너지를 수확할 수 있다[33]. SPR 여기로 인해 뜨거운 전자의 축적은 일시적으로 페르미 준위보다 높은 빈 상태를 차지할 수 있으며 Au에서 전도성 GCE로 전자의 빠른 이동이 발생합니다[34]. UA의 산화 과정은 UA 분자가 Au 나노 입자에 두 개의 전자를 전달하는 Au 나노 입자의 표면에서 발생합니다. 다른 면에서는 Au 나노입자로 개질된 후 전자 전달 속도가 크게 향상되었습니다.

아 전위/V 대 SCE. (1) 없이 1.0mM UA를 포함하는 0.1M PBS(pH 7.0) 용액에서 Au/GCE의 CV 그리고 (3) 가시광선 조명; 가시광선 조명은 화살표가 있는 지점에서 시작됩니다. (2)를 가리키고 있습니다. . 스캔 속도 50mV s ⁻¹ . ㄴ 타임스. 0.48V에서 1.0mM UA를 포함하는 0.1M PBS(pH 7.0) 용액의 가시광선 조명 하에서 Au/GCE의 광전류 응답. Xe 램프의 조명은 30초마다 중단되었습니다.

금 수량의 영향

전극 표면에 증착된 Au의 질량부하는 전기량에 의해 제어되었고, UA에 대한 전기화학적 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 금의 양이 0.96μg/cm ² 에 불과할 때 (그림 4e) 피크 전류는 약간의 감소만 있어도 베어 GCE(그림 4f)와 거의 동일했습니다. 그러나 금의 양이 4.8μg/cm에서 28.9μg/cm로 확장됨에 따라 ² (Fig. 4(d), (c), (b)) 피크전류는 연속적으로 증가하고 산화피크전위는 더 음의 값을 보였다. 계속해서 금의 양을 57.8μg/cm ² 로 늘립니다. (그림 4a)에서 피크 전류는 약간 감소하고 피크 전위는 더 많은 양으로 변했습니다. 주로 28.9μg/cm ² 의 품질이 Au/GCE에 대한 UA 반응에 가장 적합한 표면적입니다. 기본적으로, 베어 GCE 또는 GCE로 덮인 낮은 Au 나노입자는 충분한 활성 부위를 지원할 수 없고 반응을 위한 불충분한 표면적을 갖는다. 한편, 과잉 Au 나노 입자로 덮인 GCE는 Au/GCE에서 UA로의 전자 전달 속도를 늦출 것입니다. 따라서 금 함량이 28.9μg/cm ² 인 Au/GCE를 선택했습니다. 전기화학적 검출 과정에서 작업 전극으로 사용됩니다.

다른 양의 금으로 전착된 Au/GCE의 CV:57.8 (a) , 28.9 (b) , 9.6 (c) , 4.8 (d) , 0.96μg/cm ² (e) 및 베어 GCE (f) 가시광선 조명에서 1.0mM UA가 포함된 0.1M PBS(pH 7.0) 용액 스캔 속도 50mV s ⁻¹ . 예금 잠재력 −0.2V

pH 값의 영향

UA 감지를 위한 최적의 조건을 추가로 평가하기 위해 가시광선 조명에서 1mM UA의 광전기화학적 반응에 대한 pH 값의 영향을 연구했습니다. 그림 5a는 1mM UA 용액에서 Au/GCE의 CV를 설명하고 0.1M PBS를 사용하여 각 테스트 액체의 pH를 조절했습니다. 그림 5b는 I의 최대값을 볼 수 있는 pH 값과 피크 전류 사이의 관계를 보여줍니다. _아빠 pH 7.0에서 나타났고 이후 pH 7.0에서 9.0으로 증가함에 따라 감소하여 pH 7.0이 UA 검출을 위한 최적의 pH 값임을 입증했습니다.

아 다양한 pH PBS 용액(pH =4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0), 스캔 속도 50mV s ⁻¹ 를 사용한 1mM UA의 Au/GCE CV . ㄴ 산화피크전류와 pH값의 관계

스캔 속도의 영향

스캔 속도가 UA 솔루션에서 Au/GCE의 전기화학적 반응에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해 CV를 20~200mV s ⁻¹ 의 다양한 스캔 속도에서 작동했습니다. 20mV s ⁻¹ 간격으로 . 결과는 그림 6에 나와 있으며, 스캔 속도의 가속에 따른 산화 피크 전위의 명백한 양의 이동을 볼 수 있으며, 이는 전극 표면에서 UA의 반응이 준 가역적 화학 과정임을 나타냅니다. 즉, 0.1M PBS(pH 7.0) 용액에서는 전극 표면에 UA의 흡착이 일어나지 않았다. 또한 양극 피크 전류와 스캔 속도의 제곱근 사이의 선형 상관 관계를 쉽게 찾을 수 있으며 보정 방정식은 I _아빠 (μA) =1.9254ν ^1/2 (mV/s) ^1/2 + 9.3766(R ² =0.9702), 반응 속도가 UA의 확산에 의해 결정되었음을 나타냅니다[35].

20~200mV s ⁻¹ 범위의 스캔 속도에서 1mM UA를 포함하는 0.1M PBS(pH =7.0) 용액의 Au/GCE CV . 삽입 :피크 전류 대 v ^1/2 의 교정 곡선

UA 결정

CV보다 더 나은 분해능과 더 높은 감도를 가진 DPV(Differential Pulse voltammetry)도 Au/GCE의 특성화에 사용되었습니다. 2.8~57.5μM 범위에서 산화 피크 전류와 UA 농도 사이에는 비례 관계가 있었습니다(그림 7). 선형 회귀 방정식은 I로 표현될 수 있습니다. _아빠 (μA) =0.0121c _UA (μM) + 0.3122(R ² =0.9987). 비교를 위해 가시광 조명 없이 UA에 대한 Au/GCE의 DPV 분석이 추가 파일 1:그림 S3에 표시되어 있습니다. 이 분석은 I _아빠 (μA) =0.0112c _UA (μM) + 0.2766(R ² =0.9943). 이 섹션의 모든 실험은 이전 실험 데이터에서 얻은 최상의 조건에서 진행되었습니다. Au/GCE의 재사용성은 동일한 조건에서 가시광선 조명에서 1.0mM UA가 포함된 0.1M PBS(pH 7.0) 용액에서 8개 전극의 CV 응답을 측정하여 추정했습니다. 산화 피크 전류의 상대 표준 편차는 7.88%입니다. 가시광선 조명 하에서 Au/GCE의 안정성은 실험 전에 25°C에서 일주일 보관된 수정된 전극을 수행하여 확인했습니다. 피크 전류는 9.8% 감소했습니다. 위의 결과는 가시광 조명으로 변형된 전극이 재사용성과 안정성이 우수함을 나타냅니다. 그리고 이 방법은 일반적인 간섭을 견딜 수 있습니다. 실제 샘플 분석에서는 96.3%의 회수율을 얻었습니다. 위의 연구에서 우리는 가시광선 조명 Au/GCE가 미래에 민감한 전기화학 센서가 될 가능성을 보여준다는 결론을 내릴 수 있었습니다.

<그림>

아 다양한 UA 농도에서 0.1M PBS(pH 7.0)에서 Au/GCE의 DPV 곡선. ㄴ 양극 피크 전류 대 UA 농도의 플롯

결론

요약하면, 균일한 구형 Au 나노 입자는 일정한 전위 전착으로 GCE 표면에서 간단히 변형되었습니다. SEM 이미지와 크기 분포 히스토그램은 잘 분산된 AuNP의 크기 분포가 좁고 평균 직경이 26.1nm로 계산되었음을 보여주었습니다. 이것은 활성 표면적을 크게 증가시키고 궁극적으로 검출 효율을 향상시키기 위해 전도성일 수 있다. 가시광 조명 하에서 준비된 Au/GCE의 전기 분석 결과는 표면 플라즈마 공명(SPR)으로 인해 비가시광 조명과 비교하여 명백한 우월성을 나타냈다. 또한, 본 연구는 다른 생물학적 물질의 모니터링에 적용될 가능성이 있는 요산 농도를 검출하는 간단하고 쉬운 방법을 제시합니다.

약어

AuNP:

금 나노 입자

CE:

모세관 전기영동

이력서:

순환 전압전류법

DPV:

차동 펄스 전압전류법

GCE:

유리 탄소 전극

HPLC:

고성능 액체 크로마토그래피

SEM:

주사 전자 현미경

SPR:

표면 플라즈몬 공명

UA:

요산

알루미노실리케이트 미네랄을 위한 대체 도핑 및 우수한 물 분해 성능 기존 항생제의 살균 효과를 되살리기 위한 유출 펌프 및 생물막 억제제로서의 나노 입자