Elektroda Karbon Glassy Modifikasi Nanopartikel Emas Bantuan Cahaya Visibel untuk Deteksi Asam Urat Sensitif
Abstrak
Kami melaporkan pendekatan non-ensimatik yang sangat sensitif untuk penentuan asam urat (UA) yang memanfaatkan iluminasi cahaya visibel pada elektroda karbon glassy (GCE) yang dimodifikasi oleh nanopartikel emas (AuNPs) yang dielectrodeposit. Mikroskop elektron pemindai (SEM) mengonfirmasi bahwa AuNPs adalah partikel bola yang terdistribusi dengan baik, sféris, dengan diameter rata-rata 26.1 nm. Studi voltametri siklik (CV) dan voltametri pulsa diferensial (DPV) mengungkapkan bahwa cahaya visibel secara dramatis meningkatkan magnitudo dan stabilitas arus respons melalui efek resonansi permukaan plasmon (SPR) dari AuNPs. DPV menunjukkan korelasi linier antara puncak arus dan konsentrasi UA dari 2.8 hingga 57.5 µM, dijelaskan oleh Ipa (µA)=0.0121 cUA (µM)+0.3122 (R²=0.9987). Hasil ini menunjukkan potensi Au/GCE yang ditingkatkan cahaya visibel sebagai sensor elektrokimia yang andal untuk UA.
Latar Belakang
Asam urat adalah produk terminal metabolisme purin dan konsentrasinya dalam darah dan urine berfungsi sebagai biomarker untuk kondisi seperti gout, ginjal, hipertensi, dan gangguan kardiovaskular. Sebaliknya, tingkat UA yang rendah telah dikaitkan dengan sklerosis multiplex, Parkinson, Alzheimer, dan neuritis optik. Akibatnya, pemantauan yang akurat UA dalam cairan biologis adalah klinis yang tak tergantikan.
Uji UA tradisional—termasuk uji ensimatik, HPLC, spektrometri massa, elektroforesis kapiler, kemiluminesensi, dan colorimetri—sering memerlukan persiapan sampel yang kompleks dan waktu analisis yang panjang. Metode elektrokimia, yang mengeksploitasi oksidasi tidak reversibel UA menjadi alantoin, menawarkan alternatif yang lebih cepat dan lebih sederhana. Kemajuan terbaru telah memperkenalkan berbagai sensor non-ensimatik: nanofiber karbon termuat paladium, elektroda karbon cair ionik, film hibrida PtAu, dan komposit kitosan-grafin, di antara lainnya.
Nanometal—Ag, Au, Pt, Cu, Pd—telah banyak digunakan untuk membuat sensor elektrokimia karena konduktivitas yang baik, luas permukaan yang besar, dan biokompatibilitas. Nanopartikel emas, khususnya, mendapatkan manfaat dari SPR yang jelas yang dapat memanen cahaya visibel dan meningkatkan aktivitas katalitik. Properti ini memotivasi studi saat ini, yang menggabungkan AuNPs dengan iluminasi cahaya visibel untuk meningkatkan deteksi UA.
Metode
Alat
Morfologi elektroda yang dimodifikasi diperiksa dengan Hitachi SU8010 SEM. Pengukuran elektrokimia dilakukan pada stasiun kerja CHI760D menggunakan konfigurasi tiga elektroda: Au/GCE (0.07 cm²) sebagai elektroda kerja, elektroda lawan kawat platinum, dan elektroda referensi kalomel jenuh. Nilai pH diukur dengan meter pHS-2F.
Reagen
Asam urat diperoleh dari Acros Organics. Asam kloroaurik, fosfat hidrogen disodium, fosnat dihydrogen sodium, ferrokanida kalium, ferikanida kalium, dan klorida kalium dibeli dari Sinopharm. Semua reagen digunakan sebagaimana adanya; eksperimen dilakukan pada suhu kamar.
Persiapan Elektroda
GCE tipe L dipoles dengan alumina 0.05 µm, di sonikasi ultrasonik, dan dicuci hingga CV dalam 2.5 mM Fe(CN)₆³⁄⁴⁻/0.1 M KCl menampilkan puncak simetris dengan ΔEp <100 mV. AuNPs dielectrodeposit dari 1 mM H₃PO₄/0.24 mM HAuCl₄ pada –0.2 V, dengan muatan massa diatur oleh muatan yang ditetapkan.
Hasil dan Pembahasan
Morfologi dan Karakterisasi Elektroda
Gambar SEM (Gambar 1) menunjukkan distribusi padat dan monodisperse partikel emas sféris pada permukaan GCE. Histogram ukuran menunjukkan diameter rata-rata 26.1 nm, yang mengonfirmasi distribusi ukuran yang sempit yang meningkatkan luas permukaan aktif untuk oksidasi UA.
Gambar SEM Au/GCE pada magnifikasi rendah (a) dan tinggi (b). Inset: histogram distribusi ukuran nanopartikel emas yang sesuai
Perilaku Voltametri Siklik
CV dalam 0.1 M PBS (pH 7.0) yang mengandung 1.0 mM UA (Gambar 2) menunjukkan bahwa iluminasi cahaya visibel (20 cm dari lampu Xe) meningkatkan puncak arus anodik dari 12 µA (gelap) menjadi 20 µA (terang) dan estabilkan respons pada skan berturut-turut. Potensi puncak bergeser sekitar 6 mV negatif di bawah iluminasi, yang menunjukkan transfer elektron yang ditingkatkan.
CVs Au/GCE dalam 0.1 M PBS (pH 7.0) yang mengandung 1.0 mM UA dengan (a) dan tanpa (b) iluminasi cahaya visibel. Laju skan 50 mV s−1
Efek Iluminasi Cahaya Visibel
Selama siklus CV berturut-turut, iluminasi memicu kenaikan cepat arus (Gambar 3a). Kurva arus foto-waktu (Gambar 3b) menunjukkan penurunan segera ketika lampu dimatikan dan pemulihan cepat saat diiriasi kembali, yang mengonfirmasi peningkatan SPR-driven yang stabil dan reversibel. Spektra UV–Vis (Berkas Tambahan 1: Gambar S2) menunjukkan puncak serapan pada 597 nm, sejalan dengan SPR AuNPs. Transfer elektron panas dari Au ke permukaan GCE mempercepat oksidasi UA dan meningkatkan sensitivitas.
a Potensial vs. SCE. CV Au/GCE dalam 0.1 M PBS (pH 7.0) yang mengandung 1.0 mM UA tanpa (1) dan dengan (3) iluminasi cahaya visibel; iluminasi dimulai di panah (2). Laju skan 50 mV s−1. b Waktu/detik. Respons arus foto pada 0.48 V dengan siklus on/off lampu 30 detik.
Efek Jumlah Emas
Variasi muatan Au (0.96–57.8 µg cm−2) mengungkapkan densitas optimal 28.9 µg cm−2, di mana puncak arus dimaksimalkan dan potensi paling negatif. Muatan Au berlebih (>57.8 µg cm−2) sedikit mengurangi arus karena transfer elektron yang terhalang. Muatan yang dipilih memberikan keseimbangan terbaik antara luas permukaan dan konduktivitas.
CVs Au/GCE dengan muatan Au berbeda (57.8 (a), 28.9 (b), 9.6 (c), 4.8 (d), 0.96 (e), GCE murni (f)) dalam 0.1 M PBS (pH 7.0) dengan 1.0 mM UA di bawah iluminasi cahaya visibel. Laju skan 50 mV s−1; potensi deposit –0.2 V.
Efek Nilai pH
pH optimal untuk deteksi UA ditemukan adalah 7.0, seperti yang diindikasikan oleh puncak arus anodik maksimum (Gambar 5). Arus menurun secara bertahap dari pH 7.0 ke 9.0, mengonfirmasi bahwa kondisi netral mendukung oksidasi elektrokimia UA.
a CVs Au/GCE dalam 1 mM UA pada pH berbeda (4.0–9.0). b Puncak arus vs. pH. Laju skan 50 mV s−1
Efek Laju Skan
Peningkatan laju skan dari 20 hingga 200 mV s−1 menghasilkan pergeseran positif potensi puncak, yang menunjukkan reaksi quasi-reversibel. Hubungan linier antara puncak arus anodik dan √ν (R²=0.9702) mengonfirmasi oksidasi UA yang dikontrol difusi (Gambar 6).
CVs Au/GCE dalam 0.1 M PBS (pH 7.0) dengan 1 mM UA pada laju skan 20–200 mV s−1. Inset: kurva kalibrasi puncak arus vs. √ν.
Penentuan UA
Analisis DPV (Gambar 7) menunjukkan respons linier dari 2.8 hingga 57.5 µM UA, dijelaskan oleh Ipa (µA)=0.0121 cUA (µM)+0.3122 (R²=0.9987). Tanpa iluminasi, rentang linier menyempit menjadi 3–21 µM (R²=0.9943). Sensor menunjukkan 7.88 % RSD atas delapan elektroda dan kehilangan sinyal 9.8 % setelah penyimpanan satu minggu, yang menunjukkan reproduktibilitas dan stabilitas yang baik. Studi interferensi dan analisis sampel nyata (serum manusia) menghasilkan pemulihan 96.3 %, yang mengonfirmasi aplikasi praktis.
a Kurva DPV Au/GCE dalam 0.1 M PBS (pH 7.0) pada konsentrasi UA yang berbeda. b Puncak arus anodik vs. konsentrasi UA.
Kesimpulan
AuNPs sféris yang homogen dielectrodeposit pada GCE, menghasilkan struktur nanostruktur yang terdistribusi dengan baik dengan diameter rata-rata 26.1 nm. Au/GCE yang ditingkatkan cahaya visibel menunjukkan performa elektrokimia superior, mengungguli kondisi gelap melalui peningkatan arus foto yang diinduksi SPR. Sensor yang dihasilkan menawarkan metode yang sederhana, cepat, dan andal untuk kuantifikasi UA, dengan potensi perluasan ke biomolekul lainnya.
