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Oct 11, 2023

Dekoriertes Graphenoxid mit Goldnanopartikeln als empfindliche Elektrode aus modifizierter Kohlenstoffpaste zur gleichzeitigen Bestimmung von Tyrosin und Harnsäure

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 17501 (2023) Diesen Artikel zitieren 2 Details zu altmetrischen Metriken Es wird hier als einfache, selektive, schnelle, kostengünstige Methode mit einem breiten linearen Bereich vorgestellt

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 17501 (2023) Diesen Artikel zitieren

2 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Es wird hier als einfache, selektive, schnelle und kostengünstige Methode mit einem breiten linearen Bereich zur gleichzeitigen Bestimmung von Tyrosin und Harnsäure unter Verwendung einer modifizierten Kohlenstoffpastenelektrode vorgestellt, die mit Graphenoxid und Goldnanopartikeln (GO/AuNPs/MCPE) dekoriert ist. Um die Morphologie und Bestandteile der Nanostrukturen zu charakterisieren und zu bewerten, wurden Röntgenbeugungsspektroskopie, Transmissionselektronenmikroskope, dynamische Lichtstreuung, Zetapotential, elektrochemische Impedanzspektroskopie und Voltammetrie eingesetzt. Die Stromreaktion auf der Oberfläche der modifizierten Elektrode hatte eine dynamische lineare Bereichsbeziehung in den Konzentrationen von 0,14–340,00 µmol L−1 und 0,06–141,00 µmol L−1 für Tyrosin bzw. Harnsäure und der Methodennachweisgrenze (MDL). ) betrug 0,0060 µmol L−1 bzw. 0,0037 µmol L−1. Diese modifizierte Elektrode bot eine hohe Stabilität, Empfindlichkeit und akzeptable Reproduzierbarkeit für voltammetrische Messungen von Tyrosin und Harnsäure gleichzeitig in einer biologischen Matrix.

Die chemische Formel von Harnsäure lautet C5H4N4O3, eine heterozyklische Verbindung bestehend aus Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Harnsäure ist ein roher Abfallstoff, der als Nebenprodukt des Purinabbaus entsteht. Eine Person mit einem gesunden Nierensystem scheidet Harnsäure aus dem Blut in den Urin aus. Da manche Nierenerkrankungen anhand des Harnsäurespiegels im Blut diagnostiziert werden, ist die Bestimmung der Harnsäure für die Diagnose von Nierenerkrankungen von entscheidender Bedeutung. Ein hoher Harnsäurespiegel im Blut kann Gicht verursachen, eine schmerzhafte Erkrankung, die durch die Kristallisation der Säure verursacht wird. Ein hoher Harnsäurespiegel im Körper kann auch zu Urämie, Leukämie und Lungenentzündung führen1. Harnsäure ist ein wirksames Reduktionsmittel und ein starkes Antioxidans, das etwa die Hälfte der antioxidativen Kapazität des menschlichen Blutplasmas ausmacht. Ein Großteil der vom Körper produzierten Harnsäure wird täglich über die Nieren mit dem Urin ausgeschieden. Erhöhte Harnsäurespiegel im Serum oder Hyperurikämie werden durch eine Verschlechterung der Nierenfunktion um 5–25 %2,3 verursacht.

Tyrosin ist eine Aminosäure mit der chemischen Formel C9H11NO3, die als 2-Aminosäure 3-(Hydroxyphenyl)propansäure bezeichnet wird. Tyrosin ist eine essentielle Aminosäure, die der Körper zur Synthese von Proteinen verwendet, und ist eine der 20 Aminosäuren, die im menschlichen Körper vorkommen. Es handelt sich um eine wasserlösliche Aminosäure mit geringer Löslichkeit. Laut Wikipedia hat Tyrosin seinen Namen vom griechischen Wort (Tyri), was Käse bedeutet, da ein deutscher Chemiker namens Liebing 1846 als erster Tyrosin aus Kaseinprotein in Käse isolierte4. Dopamin, Adrenalin und Noradrenalin sind Neurotransmitter, die als Neurotransmitter produziert werden ein Ergebnis der Proteinsynthese im menschlichen Körper. Tyrosin wird auch Para-Hydroxyphenylalanin genannt, da es nach dem Eintritt in den Körper durch ein Enzym namens Phenylalaninhydroxylase5 durch Oxidation von Phenylalanin aufgespalten und in Tyrosin umgewandelt wird. Tyrosin kommt häufig in natürlichen Lebensmitteln vor; seine niedrigen Werte werden jedoch mit niedrigem Blutdruck, niedriger Körpertemperatur, Albinismus, Phenylketonurie, Alkaptonurie und Hypothyreose in Verbindung gebracht. Eine Person, die den Bedarf ihres Körpers an dieser Substanz nicht über natürliche Nahrungsquellen decken kann, ist möglicherweise dem Risiko gefährlicher Auswirkungen ausgesetzt6. Aufgrund der Anreicherung von Phenylalanin in verschiedenen Geweben führt die Phenylketonurie, eine Störung des Phenylalanin-Säure-Stoffwechsels, zu Hirnschäden und geistiger Behinderung. Eine Probe eines Tyrosinpräparats wird derzeit hergestellt und steht Ihnen zum Ausprobieren zur Verfügung. Normalerweise benötigt ein normaler Mensch 5–7 g dieser Aminosäure pro Tag. Obwohl dieser Stoff für den Körper nicht schädlich ist, stellt sein übermäßiger Verzehr eine Gefahr für die Gesundheit dar und eine Überdosierung dieser Aminosäure kann zu einem Anstieg des Blutdrucks und Hautproblemen führen. Zu den natürlichen Quellen dieser Aminosäure gehören Fleisch, Milchprodukte, Eier, Karotten und Bananen7. Eine biologische Flüssigkeit wie Serum oder Urin enthält im Allgemeinen Tyrosin und Harnsäure. Die biologischen Umgebungen von Blutserum und Urin sind sehr komplex und umfassen eine Vielzahl von Verbindungen. Die Bestimmung und Kontrolle dieser Verbindungen ist für die Diagnose und Behandlung vieler Krankheiten von entscheidender Bedeutung und notwendig. Dies liegt daran, dass Veränderungen außerhalb ihres natürlichen Bereichs die Stabilität der inneren Verbindungen des Körpers stören und zu Störungen der menschlichen Gesundheit führen können. Es besteht ein großer Bedarf an der Entwicklung von Methoden, die es ermöglichen, diese essentiellen Verbindungen wie Tyrosin und Harnsäure gleichzeitig zu messen, da ihre Veränderungen stark voneinander abhängig sind8.

Die modifizierte Elektrode zeigte in den durchgeführten Studien akzeptable Wiederhol- und Reproduzierbarkeitsparameter. Die Elektrodenspezifität wurde deutlich erhöht und die Elektronentransferkinetik wurde auf der Elektrodenoberfläche, die während der elektrochemischen Oxidation von Tyrosin und Harnsäure modifiziert wurde, verbessert, was zu einer signifikanten Steigerung der voltammetrischen Reaktion im Vergleich zur Elektrode aus reiner Kohlenstoffpaste führte. Hochleistungschromatographie9,10 und Spektrometrie11,12 Obwohl diese Methode ordnungsgemäß funktioniert, hat sie Nachteile wie einen hohen Preis, eine lange Analysezeit und die Notwendigkeit, den schwierigen und komplexen Probenaufbau vorzubereiten, sodass sie für tägliche Messungen nicht geeignet ist . Dennoch weisen die Methoden zur Messung von Harnsäure und Tyrosin noch Nachteile auf. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, Einfachheit, Geschwindigkeit, Erschwinglichkeit und fehlenden Probenvorbereitung genießen elektrochemische Techniken heute hohes Ansehen13,14,15. Es wurde berichtet, dass sie Tyrosin und Harnsäure bestimmen16,17,18. Die gelbe Farbe von Gold entsteht durch die Reflexion von blauem Licht am Ende des Spektrums, allerdings wird die Größe der Partikel kleiner als die Wellenlänge der Reflexion, wenn die Größe der Partikel abnimmt. In dieser Situation führt die Wechselwirkung zwischen Gold und Licht zu elektronischen Schwingungen, gefolgt von einer Oberflächenplasmonenresonanz19. Die Tendenz und Anlagerung schwefelhaltiger Gruppen an der Oberfläche von Goldpartikeln hat die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf die Verwendung von Goldnanopartikeln in vielen Arten von Forschung gelenkt20. Gold-Nanopartikel haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erhalten. Bei der Analyse biologischer Materialien haben Nanopartikel als Modifikatoren aufgrund ihrer großen Oberfläche, guten Biokompatibilität, relativ guten Leitfähigkeit sowie physikalischen und chemischen Eigenschaften die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen21,22.

Alle elektrochemischen Messungen wurden mit einem Potentiostat/Galvanostat (Vertex, Ivium, Eindhoven, Niederlande) durchgeführt, der an einen Personalcomputer angeschlossen und von der Software IviumSoft 2.5 gesteuert wurde. Zur Durchführung der Experimente in einer 50-ml-Glaszelle wurde ein Drei-Elektroden-Aufbau verwendet. Eine modifizierte Kohlenstoffpastenelektrode, dekoriert mit Graphenoxid- und Goldnanopartikeln (GO/AuNPs/MCPE) als Arbeitselektrode, eine Platinelektrode als Hilfselektrode und eine gesättigte Kalomelelektrode (SCE) als Referenzelektrode (hergestellt von Azar Electrode Company). ) wurden für voltammetrische Messungen verwendet. Bei dieser Untersuchung wurde die Arbeitselektrode separat hergestellt. Alle Potentiale werden relativ zur Referenzelektrode angegeben. Außerdem wurde ein pH/mV-Messgerät zur Messung des pH-Werts verwendet.

Tyrosin, Harnsäure, Natriumhydroxid, Phosphorsäure, Graphitpulver, Ecosan, Dikaliumhydrogenphosphat und Kaliumdihydrogenphosphat wurden von Merck, Deutschland, geliefert.

Die Elektrode wurde durch Mischen von mit Goldnanopartikeln modifiziertem Graphenoxid (8 % Gewichtsprozent), Graphitpulver und Ecosan (62:30 % Gewichtsprozent) für 20 Minuten bei 40 °C hergestellt. Im nächsten Schritt wurde es in ein Teflonrohr mit einem Innendurchmesser von 5 mm und einem Außendurchmesser von 2 mm überführt und die Verbindung über einen in der Rohrmitte befindlichen Kupferdraht hergestellt.

Wir haben GO- und Au-NPs von lokalen Lieferanten im Iran (Nanosany Co. und Iranian Nanomaterials Co.) bezogen. Für die Herstellung von Nanofluiden ist es wichtig, dass Kohlenstoffmaterialien in einer Basisflüssigkeit dispergiert werden. Aufgrund der Van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen Kohlenstoffschichten und des großen Aspektverhältnisses ist die Dispergierung von Kohlenstoffmaterialien in wässrigen Lösungen eine Herausforderung. Unter normalen Bedingungen können Graphen-Nanoblätter aufgrund ihrer hydrophoben Natur nicht in Wasser dispergiert werden23,24. Um hydrophile Graphen-Nanoblätter (Graphenoxid) herzustellen, werden funktionelle COOH-Gruppen zur Funktionalisierung von Graphen-Nanoblättern verwendet, was zu einer Verbesserung der Stabilität der hergestellten Nanoflüssigkeiten führt25. Graphenoxid-Gold-Nanopartikel/Wasser-Hybrid-Nanofluid (GO/Au-NPs/Wasser) wurden in unserer Studie mit einem zweistufigen Verfahren hergestellt26,27,28,29. Mithilfe geeigneter Dispergieransätze wurden die separat erzeugten NPs in Wasser dispergiert. Die Nanomaterialien (GO- und Au-NPs) wurden mit destilliertem Wasser (DW) gemischt. Eine stabile homogene Hybrid-Nanoflüssigkeit wurde mit einem Ultraschallhomogenisator (UP400S, Hielscher GmbH; 400 Watt und 24 kHz, 5 Min.) mit spezifischen Konzentrationen gemäß der Reaktionsoberflächenmethode hergestellt. Es wurde hergestellt, indem 1000 ml Goldnanopartikellösung mit einer Konzentration von 100,0 ppm (100 mg Goldnanopartikel in 1000 ml Wasser) hergestellt und dann die erste Lösung (100 ppm) mit destilliertem Wasser auf 100 ml verdünnt wurde, um Au-NPs mit a herzustellen Konzentration von 50,5 ppm. Anschließend wurde eine Konzentration von 1,0 ppm Au-NPs hergestellt, indem 1 ml der ersten Lösung (100 ppm) mit 100 ml destilliertem Wasser verdünnt wurde.

Die Eigenschaften des Materials hängen aufgrund seines Inhalts und seiner Beschaffenheit von den Eigenschaften seiner Bestandteile, NPs und der Grundflüssigkeit ab. Daher ist es wichtig, die Eigenschaften von NPs genau zu verstehen. Unter Umgebungsbedingungen wurde ein Röntgenpulverdiffraktometer mit einer Cu-Ka-Strahlungsquelle bei 1,54 Angström verwendet, um die Kristallstruktur von NPs zu untersuchen. Im Kleinwinkelbereich von 1°–80° wird die Intensität der von den GO-Nanopartikeln gebeugten Röntgenstrahlen als Funktion des Winkels aufgetragen. Diese Ergebnisse liefern Informationen über die Eigenschaften der Röntgenwelle und die periodische Ordnung der Probenkristalle. Basierend auf dem XRD-Muster gibt es nur einen Peak mit konstanter Intensität bei einem Winkel von 2Ɵ = 10,4630.

Der Winkel jedes Peaks wird durch seinen Abstand vom Plättchen und seine Intensität durch die Reihenfolge bestimmt, in der die Atome auf dem Plättchen angeordnet sind. Basierend auf den Ergebnissen erfüllt die entwickelte Probe alle Spezifikationen, da nur ein einziger Peak mit einer bestimmten Intensität beobachtet wird. Die Ergebnisse des Transmissionselektronenmikroskops (TEM) (Abb. 1S) für die Goldnanopartikel zeigen sehr ähnliche Größen mit einem durchschnittlichen Durchmesser unter 15 nm (die Abbildung ist nicht dargestellt). Bei der Verwendung von Nanofluiden ist der primäre Parameter die Beurteilung der Verteilung der NPs im Wasser. Das Zetapotential ist der Index der Oberflächenladung von NPs, der diesen Faktor beeinflusst. Aufgrund der starken elektrostatischen Abstoßung zwischen den NPs dürfte ein erheblicher Wert für Nanofluide (stabile Kolloide) vorliegen. In einem Nanofluid mit geringer Stabilität hätten NPs schwache Abstoßungskräfte und es würde aufgrund von Kollisionen zwischen NPs zu einer Aggregation mit einem niedrigen Zetapotentialindex kommen. Es besteht allgemeiner Konsens darüber, dass Nanoflüssigkeiten mit Zetapotentialen über 30 mV stabile Nanoflüssigkeiten sind und Nanoflüssigkeiten mit Zetapotentialen unter 20 mV instabile Nanoflüssigkeiten sind. Das mittlere Zetapotential der entwickelten Hybrid-Nanoflüssigkeit betrug 52,6 mV Abb. 2S-a,b. Darüber hinaus werden Goldnanopartikel als dunkle Punkte mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 15 nm auf einem hell schattierten Substrat beobachtet, das planaren Graphenoxidschichten entspricht. Aufgrund der blattartigen Struktur von Nanokompositen auf Graphenbasis wurden in früheren Untersuchungen zur Untersuchung von Nanokompositen auf Graphenbasis häufig Peaks geringer Intensität in Regionen unterschiedlicher Größe beobachtet31,32,33,34.

Um die elektrochemische Aktivität von GO/AuNPs/MCPE im Vergleich zur unmodifizierten Elektrode zu untersuchen, wurden quadratische voltammetrische (SWV) Reaktionen in Gegenwart von Harnsäure und Tyrosinlösung mit Konzentrationen von 19,05 µmol L−1 und 23,2 µmol L−1 in 0,2 mol verwendet Untersucht wurde eine L-1-Phosphatpufferlösung mit einem pH-Wert von 2,0 und einem Präpotential von 0,42 mV (Abb. 1).

Elektrochemisches Voltammogramm der SWV-Technik der bloßen (a) GO/MCPE- (b) und GO/AuNPs/MCPE-Elektrode (c) in Gegenwart von Harnsäurelösung (mit einer Konzentration von 19,05 µmol L−1) und Tyrosin (mit einer Konzentration von 23,2 µmol). L−1) in 0,2 mol L−1 Phosphatpufferlösung und 0,1 mol L−1 Kaliumchlorid bei pH 2,0. Elektrochemischer Zustand: Vorspannung von 0,42 mV für 10 s angelegt, verwendete Elektroden (Arbeitselektrode: Elektrode aus modifizierter Kohlenstoffpaste, Referenzelektrode: SCE, Hilfselektrode: Platindraht), Temperatur: 25 °C.

Die voltammetrische Reaktion der unmodifizierten Elektrode ist in Abb. 1a dargestellt. Sie zeigt, wie die Elektrode auf die Lösung mit den Analyten reagiert. Es ist zu beachten, dass die Reaktion der Elektrode auf Analyten relativ gering ist und ein Peak mit niedrigem Strom beobachtet wird, was darauf hindeutet, dass sie nicht effizient ist. Das Voltammogramm in Abb. 1b, c veranschaulicht die Reaktion von GO/MCPE und GO/AuNPs/CPE und zeigt an, dass der Spitzenstrom der modifizierten Elektrode mit GO/AuNPs im Vergleich zum Voltammogramm in Abb. 1a, b erhöht ist. Es wurde eine Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Faktoren auf die gleichzeitige Bestimmung von Tyrosin und Harnsäure durchgeführt, um die bestmögliche Reaktion der Elektrode zu optimieren und zu erzielen.

Der pH-Wert der Umgebung ist einer der wichtigsten Faktoren bei elektrochemischen Untersuchungen und kann einen erheblichen Einfluss auf die elektrochemische Bestimmung der Oxidationsströme von Tyrosin und Harnsäure haben. Bei dieser Analyse wird der Einfluss des pH-Werts auf das Spitzenpotential analysiert, um das Verhältnis von Protonen zu Elektronen zu bestimmen. Daher wurde die Auswirkung des pH-Werts auf das Oxidationsverhalten von Harnsäure und Tyrosin separat durch die Technik der linearen Sweep-Voltammetrie (LSV) in 0,1 mol L−1 Phosphatlösung für die modifizierte Elektrode bei Konzentrationen von 14,15 µmol L−1 und 48,70 µmol L−1 bewertet im pH-Bereich von 1,0–7,0. Abbildung 2 und Abb. 3S veranschaulichen die Ergebnisse.

LSV-Voltammogramm von Harnsäure bei einer Konzentration von 14,15 µmol L−1 bei verschiedenen pH-Werten im Bereich von 1,0 bis 7,0 an der Oberfläche der modifizierten Elektrode (a), Ep gegen pH (b), Ip gegen pH (c) in 0,1 mol L − −1 gepufferte Phosphatlösung mit einer Scanrate von 100 mv/s, verwendete Elektroden (Arbeitselektrode: modifizierte Kohlenstoffpastenelektrode, Referenzelektrode: SCE, Hilfselektrode: Platindraht), Temperatur: 25 °C.

SWV verschiedener Konzentrationen von Harnsäure (0,06, 10,49, 13,7, 23,4, 28,5, 34,6, 42,1, 62,1, 75,4, 85,5, 96,9, 109,0, 141,0 µM) und Tyrosin (0,14, 33,0, 56,7, 68). 9, 83,7 , 101,0, 123,0, 182,0, 206,0, 233,0, 265,0, 300,0, 340,0 µM) auf der Oberfläche der modifizierten Elektrode (a), die lineare Kalibrierungskurve des Spitzenstroms gegenüber verschiedenen Konzentrationen der Tyrosinlösung (b), die lineare Kalibrierungskurve des Spitzenstroms im Vergleich zu unterschiedlichen Konzentrationen der Harnsäurelösung (c), in 0,2 mol L−1 Phosphatpufferlösung und 0,1 mol L−1 Kaliumchlorid, pH 2,0. Elektrochemischer Zustand: Vorspannung von 0,42 mV für 10 s angelegt, verwendete Elektroden (Arbeitselektrode: Elektrode aus modifizierter Kohlenstoffpaste, Referenzelektrode: SCE, Hilfselektrode: Platindraht), Temperatur: 25 °C.

Der pH-Wert beeinflusst den Strom und das Spitzenpotential der Harnsäure, wie in Abb. 2b, c dargestellt. Gleichung (1) weist auf eine negative Verschiebung des anodischen Spitzenpotentials mit steigendem pH-Wert hin, was darauf hindeutet, dass die Deprotonierung während der Oxidation bei höherem pH-Wert erleichtert wird, wie durch die Steigung von −0,053 V angezeigt. Dem Steigungswert zufolge ist die gleiche Anzahl an Protonen vorhanden und Elektronen nehmen an der Tyrosinoxidationsreaktion teil, was mit früheren Studien übereinstimmt35,36.

Wie aus Abb. 3S-b,c ersichtlich ist, werden sowohl der Reaktionsstrom als auch die Spitzenpotentiale von Tyrosin vom pH-Wert beeinflusst. Wenn der pH-Wert in der Pufferlösung ansteigt, sinken die Werte des anodischen Spitzenpotentials, was auf die Beteiligung von Protonen am Tyrosinoxidationsprozess hinweist. Gleichung (2) zeigt eine negative Verschiebung des anodischen Spitzenpotentials mit einer Steigung von -0,0638 V. Die aus Gl. (2) und sein Vergleich mit dem theoretischen Wert von -0,06 (m/n), wobei „m“ die Anzahl der Protonen und „n“ die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Elektronen ist, zeigt, dass die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Protonen Die Tyrosin-Oxidationsreaktion ist in Übereinstimmung mit früheren Berichten gleich der Anzahl der Elektronen37,38.

Der Oxidationsspitzenstrom für Tyrosin und Harnsäure ist bei pH 2,0 bzw. pH 3,0 maximal und nimmt ab, wenn der pH-Wert der aktuellen Umgebung steigt. Diese Kurven zeigen auch zwei Peaks für Tyrosin und Harnsäure, was auf zwei pka hinweist. Zur gleichzeitigen Bestimmung von Tyrosin und Harnsäure auf der Oberfläche der modifizierten Elektrode wurden alle voltammetrischen Messungen in Phosphatpufferlösung mit pH 2,0 als Trägerelektrolyt durchgeführt. Auf der Oberfläche der modifizierten Elektrode ist der vorgeschlagene Mechanismus zur Oxidation von Tyrosin und Harnsäure in Abb. 4S-A,B zu sehen.

SWV der menschlichen Urinproben mit unterschiedlichen Konzentrationen von Harnsäure (0,40, 10,49, 42,10, 75,40, 85,50, 95,00 µM) und Tyrosin (0,10, 25,30, 83,70, 180,00, 206,00, 265,00 µM) an der Oberfläche der modifizierten Elektrode ( a), die lineare Kalibrierungskurve des Spitzenstroms gegenüber verschiedenen Konzentrationen der Tyrosinlösung (b), die lineare Kalibrierungskurve des Spitzenstroms gegenüber verschiedenen Konzentrationen der Harnsäurelösung (c), in 0,2 mol L−1 Phosphatpufferlösung und 0,1 mol L−1 Kaliumchlorid mit pH 2,0. Elektrochemischer Zustand: Vorspannung von 0,42 mV für 10 s angelegt, verwendete Elektroden (Arbeitselektrode: Elektrode aus modifizierter Kohlenstoffpaste, Referenzelektrode: SCE, Hilfselektrode: Platindraht), Temperatur: 25 °C.

Im Rahmen der Untersuchung der Auswirkung der Potentialdurchlaufgeschwindigkeit auf das elektrochemische Verhalten von Harnsäure und Tyrosin auf der Oberfläche der modifizierten Elektrode wurde der LSV für jede der Lösungen von Harnsäure und Tyrosin in 0,1 mol L−1 Phosphatpufferlösung aufgezeichnet mit pH 2,0, enthaltend Konzentrationen von 3,46 bzw. 29,7 µmol L−1, mit Abtastraten im Bereich von 50 bis 130 ms pro Sekunde bzw. 10–100 ms pro Sekunde. Die Voltammogramme (8-a) und (9-a) zeigen, dass der Anodenstrom mit zunehmender Abtastrate zunimmt, wie in den Voltammogrammen (Abb. 5S-a, 6S-a) zu sehen ist. Basierend auf Abb. 5S-b und 6S-b sowie die Ergebnisse, die aus der Analyse des Diagramms der Änderungen des anodischen Spitzenstroms gegenüber der potenziellen Wobbelgeschwindigkeit und des Diagramms des logarithmischen anodischen Spitzenstroms gegenüber der potenziellen Wobbelgeschwindigkeit in den Abb. 5S-b und 6S-b erhalten wurden. 5S-c und 6S-c, der Mechanismus der Oxidation von Harnsäure und Tyrosin wird gemäß den Ergebnissen der Analyse durch die Absorption beeinflusst.

Bei jeder Messung wurde die modifizierte Elektrode in eine Lösung getaucht, die Tyrosin und Harnsäure enthielt, um den Einfluss der Akkumulationszeit auf den anodischen Spitzenstrom zu untersuchen. Den Ergebnissen dieses Experiments zufolge hatte eine Änderung der Akkumulationszeit keine Auswirkung.

Außerdem wurde untersucht, ob der Zeitpunkt, zu dem das Vorpotential angelegt wird, die elektrochemische Reaktion beeinflusst. Eine mit GO/AuNPs/MCPE modifizierte Elektrode wurde zu unterschiedlichen Zeiten einem Vorpotential von 0,42 mV in 0,1 mol L−1 Phosphatpufferlösung bei pH 2,0 in Gegenwart von 79,42 µmol L−1 Harnsäure ausgesetzt. Die Rechteckwellenvoltammetrie-Technik zeigte einen Anstieg des Elektrodenstroms zwischen 5 und 10 s, über 10 s hinaus wurde jedoch keine signifikante Änderung festgestellt. Daher wurde festgestellt, dass 10 s der ideale Zeitpunkt zum Anlegen des Vorpotentials wären (Abb. 7S).

Um den Oberflächenwiderstand der modifizierten Elektrode (GO/AuNPs/MCPE) zu untersuchen, wurde die Reaktion der elektrochemischen Impedanzspektroskopie in Gegenwart des Paares [Fe(CN)6]−4/−3 als Redoxsonde unter Verwendung der unmodifizierten Elektrode bewertet und modifizierte Elektrode (Abb. 8S). Alle optimierten Bedingungen sind in Tabelle 1S beschrieben.

Wir haben die Elektrodenflächen mittels LSV unter Verwendung von [Fe(CN)6]−4/−3 als Sonde in 0,2 mol L−1 Phosphatpufferlösung mit pH 7,0 und unterschiedlichen Scangeschwindigkeiten gemessen. Für diese Reaktion bei T = 298 K wird die Randles-Sevcik-Gleichung verwendet.

Gleichung (3) befasst sich mit dem „anodischen Spitzenstrom“, dem Elektronentransfer (n = 1), der Elektrodenoberfläche, dem Diffusionskoeffizienten, der Scangeschwindigkeit und der Konzentration von Fe(CN)6−4/−3.

Unter Verwendung einer 0,07 µmol L−1-Lösung von [Fe(CN)6]−4/−3, der Oberfläche der Elektrode in 0,2 mol L−1 Phosphatpufferlösung, T = 298 K, C0* = 7 × 10−4 M , D = 5,0810−6 cm2mol−1, n = 1, F = 96.485 Cmol−1, R = 8,314 jk−1 mol−1 wurde erhalten. Die Oberfläche der unmodifizierten Elektrode und der modifizierten Elektrode betrug 0,129 cm2 bzw. 0,190 cm2, unter Verwendung von Gl. (3).

Die Rechteckvoltammogramme der modifizierten Elektrode wurden in 4 aufeinanderfolgenden Tests mit einer Konzentration von 44,9 µmol L-1 Harnsäure und 45,3 µmol L-1 Tyrosinlösung in 0,2 mol L-1 Phosphatpufferlösung bei pH 2,0 und einer Scanrate von 1,5 µm durchgeführt 100 mV/s zur Bewertung des Wiederholverhaltens. Tyrosin hatte eine relative Standardabweichung von 3,51 % und Harnsäure hatte eine relative Standardabweichung von 5,77 %.

Das gleiche Syntheseverfahren wurde verwendet, um den Oxidationsstrom von drei verschiedenen modifizierten Elektroden zu reproduzieren (Zur Herstellung der Elektrode wurden mit Goldnanopartikeln modifiziertes Graphenoxid (8 % w/w), Graphitpulver und Ecosan als Klebstoff 20 Minuten lang bei gemischt 40°C, um eine homogene Mischung zu erhalten). Anschließend wurde es in ein Teflonrohr mit einem Innendurchmesser von 5 mm und einem Außendurchmesser von 2 mm überführt und die Verbindung über einen in der Mitte des Teflonrohrs befindlichen Kupferdraht hergestellt) wurde in Harnsäure- und Tyrosinlösung berechnet mit einer Konzentration von 44,9 µmol L−1 und 45,3 µmol L−1 in 0,2 mol L−1 Phosphatpufferlösung, pH 2,0 und 0,1 mol L−1 Kaliumchlorid bei einer Scanrate von 100 mv/s. Bei der Berechnung der Standardabweichung stellten wir fest, dass Tyrosin eine relative Standardabweichung von 5,13 % und Harnsäure eine relative Standardabweichung von 8,42 % aufwies.

Nach einer Auswertung der Parameter, die die Bestimmung von Tyrosin und Harnsäure beeinflussen, wurden diese beiden Analyten gleichzeitig analysiert und eine Kalibrierungskurve erstellt. Um dies zu erreichen, wurden Harnsäure- und Tyrosinlösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen (0,06–141,00 µmol L−1 Harnsäure, 0,14–340,00 µmol L−1 Tyrosin) in 0,2 mol L−1 Phosphatpufferlösung, pH 2,0, hergestellt 0,1 mol L−1 Kaliumchlorid bei einer Abtastrate von 100 mv/s. Anschließend wurde eine SWV-Technik verwendet, um die optimalen Bedingungen für die Verwendung der modifizierten Kohlenstoffpastenelektrode zu bestimmen. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit dieser Methode wurde die SWV-Methode zur Bestimmung der Nachweisgrenze und des linearen Bereichs für die gleichzeitige Bestimmung von Tyrosin und Harnsäure verwendet. Die Tyrosin- und Harnsäurekonzentrationen hängen eindeutig mit dem anodischen Spitzenstrom zusammen, und der Spitzenstrom steigt mit zunehmender Tyrosin- und Harnsäurekonzentration. In Abb. 3 sehen Sie den SWV für die gleichzeitige Bestimmung von Tyrosin und Harnsäure. Es wurde der Konzentrationsbereich von 0,14–340,00 µmol L−1 für Tyrosin (Abb. 3b) und der Konzentrationsbereich von 0,06–141,00 µmol L−1 (Abb. 3c) für Harnsäure ermittelt. Die Methodennachweisgrenze (MDL) von Tyrosin und Harnsäure wurde bei 0,0060 µmol L−1 bzw. 0,0037 µmol L−1 ermittelt, und die Gleichung der Linie für jeden von ihnen wird als Gleichungen angegeben. (4) und (5) unten.

Als Maß für die Effizienz der elektrochemischen Methode mit der vorgeschlagenen Elektrode wurden die mit dieser Elektrode erhaltene Nachweisgrenze und der lineare Bereich mit einigen zuvor veröffentlichten Veröffentlichungen verglichen (Tabelle 1). Bei diesem Vergleich wurde festgestellt, dass der mit der vorgeschlagenen Methode hergestellte Sensor äußerst effizient und kostengünstig war.

Zur Bewertung der Effizienz und Zuverlässigkeit dieses MCPE wurden reale Proben verwendet. Dabei wurde die Urinprobe in 0,2 mol L-1 Phosphatpufferlösung und 0,1 mol L-1 Kaliumchlorid mit pH 2,0 unter Berücksichtigung des DLR bei gleichzeitiger Bestimmung aufbereitet. Der Probe wurden bestimmte Mengen Tyrosin und Harnsäure zugesetzt und zur Aufzeichnung des Voltammogramms wurde eine SWV-Technik verwendet (Abb. 4a). Die Auftragung der Konzentration gegen den Durchfluss zeigt, dass diese Methode eine Nachweisgrenze von 0,0067 µmol L−1 und 0,001 µmol L−1, einen Korrelationskoeffizienten von 98,35 % und 97,79 % und eine Empfindlichkeit von 0,3117 und 0,6589 für Tyrosin und Harnsäure aufweist bzw. in echten Urinproben (Abb. 4b, c). Basierend auf diesen Ergebnissen ist die vorgeschlagene Methode auf die Analyse biologischer Proben anwendbar. Daten für reale Proben sind in Tabelle 2S zusammengefasst.

Diese Methode wurde in verschiedenen Matrizen getestet, um ihre Selektivität und Effizienz zu untersuchen. Eine quantitative Studie wurde mit Lösungen durchgeführt, die Harnsäure und Tyrosin mit Konzentrationen von 0,014 mol L−1 bzw. 0,07 mol L−1 enthielten, sowie mit unterschiedlichen Konzentrationen störender Spezies in Phosphatpufferlösungen mit pH 2,0 von 0,2 mol L−1 und 0,1 mol L−1 Kaliumchlorid in Tabelle 3S bestätigen die Ergebnisse die Machbarkeit der Verwendung der vorgeschlagenen Methode sowohl für Tyrosin- als auch für Harnsäurebestimmungen.

Es ist möglich, die modifizierten GO/AuNPs/MCPE gleichzeitig zum Nachweis und zur Bestimmung von Tyrosin und Harnsäure zu verwenden. Der Potentialunterschied zwischen Tyrosin und Harnsäure beträgt 0,348 mV, was eine Peaktrennung ermöglicht. Diese modifizierte Elektrode zeigt eine hohe elektrochemische Aktivität für die Oxidation von Tyrosin und Harnsäure in Gegenwart anderer störender Verbindungen. Basierend auf dem elektrochemischen Verhalten von Tyrosin und Harnsäure weist der vorgeschlagene modifizierte Sensor eine hohe Empfindlichkeit auf. Im Vergleich zu früheren Studien weist die vorgeschlagene Elektrode einen breiten linearen Bereich in verschiedenen Konzentrationen auf und weist eine niedrige Nachweisgrenze auf. Die Bestimmung von Tyrosin und Harnsäure in dieser Untersuchung bestätigt den Erfolg der vorgeschlagenen Methode. Zukünftig können neue Materialien als elektrochemische Sensoren zur Bestimmung neuer Verbindungen in komplexen Matrizen eingesetzt werden.

Die im Rahmen dieser Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind im Artikel und im Zusatzmaterial enthalten. Weitere Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken der University of Birdjand für die finanzielle Unterstützung dieser Arbeit.

Fachbereich Chemie, Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Birjand, Birjand, Süd-Chorasan, Iran

Elahe Garazhian und Majid Kalate Bojdi

Fachbereich Chemie, Fakultät für Naturwissenschaften, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran

Mohammad Behbahani

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Der Betreuer des Teams, MKB, überwachte alle Forschungsschritte von der Datenerfassung bis zur Manuskripterstellung/-überarbeitung. EG war für die Erstellung von Tabellen und Abbildungen im Zusammenhang mit Optimierung und realen Proben verantwortlich und spielte eine wichtige Rolle bei der experimentellen Datenerfassung, Ergebnisaufbereitung und Datenanalyse. MB hat dazu beigetragen, einige Ergebnisse, insbesondere anhand realer Proben, durchzuführen und einige Teile des Manuskripts zu verfassen. MKB und EG arbeiteten beim Verfassen des Haupttextes des Manuskripts zusammen, während alle Autoren an der Korrektur und Überarbeitung der endgültigen Fassung mitwirkten.

Korrespondenz mit Majid Kalate Bojdi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Garazhian, E., Kalate Bojdi, M. & Behbahani, M. Dekoriertes Graphenoxid mit Goldnanopartikeln als empfindliche Elektrode aus modifizierter Kohlenstoffpaste zur gleichzeitigen Bestimmung von Tyrosin und Harnsäure. Sci Rep 13, 17501 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-44540-6

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Eingegangen: 25. Juni 2023

Angenommen: 10. Oktober 2023

Veröffentlicht: 15. Oktober 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-44540-6

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