稀土基金屬有機(jī)框架材料的制備及其對(duì)日落黃的電化學(xué)傳感應(yīng)用

萬(wàn) 超， 汪 丹， 李 虎， 胡 新， 張 麗， 吳 燦

(1.湖北新業(yè)煙草薄片開發(fā)有限公司，湖北武漢 430000;2.鄂州職業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北鄂州 436000;3.湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430062)

日落黃是一種人工合成的水溶性偶氮染料，常存在于各類有色飲品飲料中。研究表明，過(guò)量攝入日落黃可能會(huì)對(duì)人的健康造成不利影響，包括過(guò)敏反應(yīng)、生殖和神經(jīng)行為參數(shù)改變、胸腺重量減少、單核細(xì)胞計(jì)數(shù)改變甚至癌癥等[1]。因此，有必要建立一種簡(jiǎn)便、快速、靈敏的日落黃檢測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)日常飲品飲料中日落黃含量的監(jiān)測(cè)。電化學(xué)分析法具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、檢出限低和選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。由于日落黃分子含有電活性基團(tuán)，采用電化學(xué)方法理論上可以實(shí)現(xiàn)日落黃的高靈敏度檢測(cè)[2]。

金屬有機(jī)框架(MOFs)材料，是一類由無(wú)機(jī)金屬離子與有機(jī)配體通過(guò)自組裝形成的，具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料，具有比表面積大、孔徑可調(diào)、開放的金屬位點(diǎn)、易于功能化等特點(diǎn)，已成為材料科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域研究最廣泛的材料類別之一[3,4]。MOFs已在電化學(xué)傳感方面展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力[5]。例如，具有層狀形貌的Cu-MOF對(duì)H2O2的電化學(xué)催化還原和雙酚A的電化學(xué)氧化表現(xiàn)出了高的活性[6,7]；植酸功能化的Co-MOF能夠?qū)崿F(xiàn)血清中血糖含量的高靈敏檢測(cè)[8]。一方面，MOFs材料中的有機(jī)配體單元可以與有機(jī)目標(biāo)分析物發(fā)生相互作用，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分析物在電極表面的有效富集，從而提高目標(biāo)分析物的電化學(xué)信號(hào)。另一方面，MOFs材料豐富的孔洞結(jié)構(gòu)也可以為目標(biāo)分析物的富集提供大量的作用位點(diǎn)，從而進(jìn)一步提高目標(biāo)分析物的電化學(xué)信號(hào)。目前，稀土基MOFs材料在電化學(xué)分析領(lǐng)域的應(yīng)用研究還十分少見。因此，有必要設(shè)計(jì)合成一種新型的稀土基框架材料并探究其電化學(xué)傳感性能。

本研究中，通過(guò)簡(jiǎn)單的一步共混法，室溫條件下制備出了一種形貌規(guī)則的短棒狀稀土基金屬有機(jī)框架材料(Er-BTC)。相比于裸碳糊電極，制備的短棒狀Er-BTC修飾的碳糊電極(Er-BTC/CPE)具有更強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移能力和更高的電化學(xué)活性。不僅如此，Er-BTC/CPE對(duì)偶氮類染料分子日落黃的電化學(xué)氧化表現(xiàn)出了顯著的信號(hào)增強(qiáng)效應(yīng)。基于此效應(yīng)，成功構(gòu)建了一種新型的具有超高靈敏度的日落黃電化學(xué)傳感平臺(tái)，檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)高效液相色譜法(HPLC)具有高度的一致性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

VERTEX 70型傅里葉紅外光譜儀(德國(guó)，Bruker公司)；AXS D8型X射線衍射儀(荷蘭，Panalytical公司)；SU8010型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(荷蘭，F(xiàn)EI公司)；CHI 660E型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；Ultimate 3000型高效液相色譜儀(美國(guó)，Thermo Fisher公司)。

日落黃(Sigma)，Er(NO3)3·6H2O(Aladdin)，均苯三甲酸(H3BTC)、NH4Ac、DMF、Na2HPO4·12H2O、NaH2PO4·2H2O、甲醇(色譜純)、石墨粉(光譜純)、石蠟油(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。除特殊說(shuō)明外所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

1.2 Er-BTC的制備

準(zhǔn)確稱取3 mmol Er(NO3)3·6H2O和H3BTC于燒杯中，然后加入30 mL DMF，待完全溶解后，在攪拌狀態(tài)下，迅速加入30 mL 6 mmol/L NH4Ac溶液，繼續(xù)攪拌1 h，隨后靜置老化24 h。最后，過(guò)濾收集沉淀物并用DMF和水洗滌，將所得產(chǎn)物置于60 ℃烘箱中干燥過(guò)夜，所得產(chǎn)物即為Er-BTC。

1.3 修飾電極的制備

準(zhǔn)確稱量0.9 g石墨粉和0.1 g Er-BTC于研缽中，研磨混合均勻后，加入0.1 mL石蠟油并繼續(xù)研磨至糊狀，將所得糊狀物用力壓入碳糊電極的底部空腔中，并在拋光紙上將電極表面打磨光滑，即可得到修飾電極(Er-BTC/CPE)。準(zhǔn)確稱量1.0 g石墨粉按相同的步驟制備未修飾的碳糊電極(CPE)。

1.4 電化學(xué)測(cè)試

電化學(xué)測(cè)試在CHI 660E電化學(xué)工作站上進(jìn)行。采用三電極體系：以CPE或Er-BTC/CPE為工作電極(直徑為3 mm)，以飽和甘汞電極(SCE)和鉑絲分別作為參比電極和對(duì)電極。以pH=7.0的磷酸鹽緩沖溶液(0.1 mol/L)為支持電解質(zhì)溶液，在0.45 V電位下攪拌富集3 min后，采用差分脈沖伏安法(DPV)進(jìn)行掃描，掃描速率為40 mV/s，記錄電位0.63 V處的氧化峰信號(hào)，作為日落黃分析信號(hào)。

2 結(jié)果與討論

2.1 Er-BTC的晶體結(jié)構(gòu)

圖1A為H3BTC和Er-BTC的紅外光譜圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比于H3BTC(曲線a)，Er-BTC的紅外光譜表現(xiàn)出明顯的變化(曲線b)。可以看出，在Er-BTC的紅外譜圖中，沒有觀察到H3BTC在1 277 cm-1和1 721 cm-1處的特征吸收譜帶，1 383 cm-1和1 573 cm-1處的譜帶歸屬于羧酸酯基團(tuán)的不對(duì)稱和對(duì)稱拉伸振動(dòng)，證實(shí)了配體H3BTC去質(zhì)子化后與金屬離子成功配位[9]。此外，采用X射線衍射(XRD)研究了Er-BTC的晶體結(jié)構(gòu)特性，如圖1B所示。由圖可見，Er-BTC的XRD圖(曲線b)的各衍射峰尖銳且分離度良好，表明其結(jié)晶度高。而且各衍射峰位置與文獻(xiàn)報(bào)道[17]的峰位置高度一致(曲線a)，證明成功制備了相純度高的Er-BTC。

圖1 (A)H3BTC(a)和Er-BTC(b)的紅外(IR)光譜圖；(B)文獻(xiàn)報(bào)道(a)和合成(b)的Er-BTC的X射線衍射(XRD)圖Fig.1 (A) IR spectra of H3BTC(curve a) and Er-BTC(curve b);(B) XRD patterns of the reported Er-BTC that in the literature(curve a) and the synthesized Er-BTC(curve b)

2.2 Er-BTC形貌分析

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)制備的Er-BTC形貌進(jìn)行了表征。如圖2所示，可以看到尺寸均勻的短棒狀顆粒，長(zhǎng)度小于100 nm，直徑小于70 nm。這種納米級(jí)Er-BTC顆粒的形成可歸因于添加劑NH4Ac在晶體形成過(guò)程中的配位調(diào)節(jié)作用所致，NA4Ac與配體分子具有相同的官能團(tuán)，在反應(yīng)的初始階段與Er3+配位的羧基不僅來(lái)自于配體分子，還來(lái)自添加的NH4Ac，導(dǎo)致形成更多的晶核從而形成較小和相對(duì)均勻的納米粒子。

圖2 不同放大倍數(shù)下的Er-BTC的掃描電鏡(SEM)圖Fig.2 SEM images at different magnifications of Er-BTC

2.3 Er-BTC修飾電極的電化學(xué)性能表征

用K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6為探針?lè)肿?，分別運(yùn)用循環(huán)伏安法(CV)和電化學(xué)阻抗法(EIS)研究了不同電極的電化學(xué)性能。圖3A為CPE和Er-BTC/CPE在1 mol/L KCl的含5 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中的CV圖。從CV曲線可見，Er-BTC/CPE(曲線b)上K3[Fe(CN)6]的氧化還原峰電流與CPE(曲線a)相比明顯增大，而且其氧化還原峰電位差也明顯減小。根據(jù)Nicholson理論，較低的氧化還原峰電位差意味著更高的異相電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)，表明Er-BTC/CPE具有強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移能力。此外，根據(jù)Randles-Sevik方程，更大的氧化還原峰電流象征著更高的電化學(xué)活性面積。很明顯，相比于裸CPE，Er-BTC/CPE具有更高的電化學(xué)活性。圖3B為不同電極在0.1 mol/L KCl的含5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-中的EIS圖，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，裸CPE和Er-BTC/CPE電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)值分別為13.15 kΩ和2.08 kΩ，可以看出Er-BTC/CPE(曲線b)的電化學(xué)轉(zhuǎn)移電阻顯著減小。該結(jié)果進(jìn)一步表明Er-BTC/CPE具有良好的電子轉(zhuǎn)移能力，其表征結(jié)果與CV測(cè)試結(jié)果相一致。大的電化學(xué)面積及快的電子轉(zhuǎn)速能力可能賦予Er-BTC/CPE優(yōu)異的電化學(xué)傳感特性。

圖3 (A) 裸CPE(a)和Er-BTC/CPE(b)在1 mol/L KCl的0.5 mmol/L[Fe(CN)6]-3/-4溶液中于掃速：100 mV/s的循環(huán)伏安圖；(B)裸碳糊電極(a)和Er-BTC修飾碳糊電極(b)在1 mol/L KCl,0.5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的尼奎斯特圖(頻率范圍：100 kHz～0.01 Hz，振幅：5 mV)Fig.3 (A) Cyclic voltammograms of CPE(curve a) and Er-BTC/CPE(curve b) in 1 mol/L KCl,0.5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4- at 100 mV/ s;(B) Nyquist plots of CPE(curve a) and Er-BTC/CPE(curve b) in 1 mol/L KCl,0.5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-(frequency range:100 kHz to 0.01 Hz;amplitude:5 mV)

2.4 日落黃在不同電極上的電化學(xué)行為

用差分脈沖伏安法(DPV)研究50 nmol/L日落黃在不同電極上的電化學(xué)行為，電解質(zhì)為0.1 mol/L的磷酸鹽緩沖溶液(pH=7.0)。如圖4A所示，CPE和Er-BTC/CPE在空白電解質(zhì)溶液中均未觀察到氧化峰，表明其在0.1 mol/L的磷酸鹽緩沖溶液中均表現(xiàn)為惰性。加入50 nmol/L日落黃后，可以在CPE上觀測(cè)到明顯的氧化峰，其為日落黃的氧化信號(hào)。當(dāng)使用Er-BTC/CPE后，日落黃的氧化峰電流出現(xiàn)了明顯的增強(qiáng)，且氧化峰位置出現(xiàn)了輕微的負(fù)移。該現(xiàn)象證實(shí)實(shí)驗(yàn)合成的短棒狀Er-BTC納米顆粒能顯著加快日落黃的電化學(xué)氧化作用。為了進(jìn)一步探究Er-BTC/CPE對(duì)日落黃的信號(hào)增敏機(jī)理，實(shí)驗(yàn)采用雙階躍計(jì)時(shí)電量法(CC)研究了裸CPE和Er-BTC/CPE對(duì)日落黃的電化學(xué)吸附效應(yīng)，結(jié)果如圖4B所示。電量Q與t1/2呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，通過(guò)同一電極截距絕對(duì)值差值，可以得到日落黃分子在不同電極表面的電化學(xué)吸附量Qads。結(jié)果表明，日落黃分子在Er-BTC/CPE修飾電極上的電化學(xué)吸附量(0.789 μC)顯著大于在CPE上的吸附電量(0.361 μC)，進(jìn)一步證實(shí)Er-BTC可以通過(guò)增強(qiáng)日落黃富集量從而產(chǎn)生增敏效應(yīng)。

圖4 (A)裸CPE(a′,a)和Er-BTC/CPE(b′,b)在不含(a′,b′)或含有50 nmol/L日落黃(a,b)的磷酸鹽緩沖溶液(0.1 mol/L，pH=7.0)中的差分脈沖伏安(DPV)曲線；(B)50 nmol/L日落黃在CPE(a′,a)和Er-BTC/CPE(b′,b)上的吸附過(guò)程(a,b)和脫附過(guò)程(a′,b′)的Qvs.t1/2圖Fig.4 (A) DPV curves of CPE(a′,a) and Er-BTC/CPE(b′,b) in phosphate buffer(0.1 mol/L,pH = 7.0) without(a′,b′) or with(a,b) 50 nmol/L sunset yellow;(B) Plots of Qvs.t1/2 during the forward step(a,b) and the reverse step(a′,b) of 50 nmol/L sunset yellow on CPE(a′,a) and Er-BTC/CPE(b′,b)

2.5 日落黃電化學(xué)傳感平臺(tái)的構(gòu)建

為了構(gòu)建高靈敏的日落黃的電化學(xué)傳感平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，包括電解質(zhì)pH、Er-BTC修飾用量、富集電位和富集時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磷酸鹽緩沖溶液(0.1 mol/L)pH從5.7逐步升高至7.0時(shí)，日落黃電化學(xué)氧化信號(hào)逐步增大，進(jìn)一步提高pH至7.5、8.0時(shí)，日落黃氧化峰電流逐步降低，因此選擇0.1 mol/L pH=7.0磷酸鹽緩沖溶液作為電解質(zhì)。當(dāng)Er-BTC修飾用量從5%逐步增加至10%時(shí)，日落黃電化學(xué)氧化信號(hào)逐步增大，進(jìn)一步提高修飾劑用量至12.5%時(shí)，日落黃氧化峰電流降低，因此選擇Er-BTC 修飾量為10%。當(dāng)富集電位從0.3 V逐步增加至0.45 V時(shí)，日落黃電化學(xué)氧化信號(hào)逐步增大，進(jìn)一步提高富集電位至0.50 V時(shí)，日落黃氧化峰電流降低，因此選擇富集電位為0.45 V。當(dāng)富集時(shí)間從1 min 逐步提高至3 min時(shí)，日落黃電化學(xué)氧化信號(hào)顯著增強(qiáng)，進(jìn)一步提高富集時(shí)間，日落黃氧化峰電流增加不明顯，因此選擇富集時(shí)間為3 min。在最優(yōu)條件下，采用DPV法，將Er-BTC/CPE用于不同濃度日落黃的檢測(cè)，記錄不同濃度日落黃的氧化峰電流值。如圖5A所示，日落黃的氧化峰電流隨其濃度的增加而增大，且峰電流和日落黃的濃度在0.2～80 nmol/L之間表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系(圖5B)，線性方程為：I(μA)=0.0249c(nmol/L)，r=0.999，基于3倍信噪比(S/N=3)計(jì)算出其檢出限為0.035 nmol/L，性能顯著優(yōu)于其它電極材料(表1)[10-16]。

圖5 (A)Er-BTC/CPE在不同濃度日落黃中的DPV曲線；(B)日落黃氧化峰電流與濃度的線性擬合曲線Fig.5 (A) DPV curves of Er-BTC/CPE in sunset yellow solution from 0 to 80 nmol/L;(B) Linear fitting curve of peak currents and the corresponded concentration

表1 電極材料測(cè)定日落黃性能比較

為了評(píng)估制備的Er-BTC/CPE電化學(xué)檢測(cè)的重現(xiàn)性，分別將10支質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Er-BTC/CPE修飾電極置于含有日落黃(50 nmol/L)的0.1 mol/L的磷酸鹽緩沖溶液(pH=7.0)中進(jìn)行DPV掃描，記錄日落黃氧化峰電流值，發(fā)現(xiàn)日落黃氧化峰電流值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.85%，表明Er-BTC/CPE具有很好的重現(xiàn)性。

2.6 實(shí)際樣品檢測(cè)

為了評(píng)估構(gòu)建的電化學(xué)傳感平臺(tái)在實(shí)際樣品檢測(cè)中的應(yīng)用潛力，從當(dāng)?shù)爻匈?gòu)買兩種飲料樣品，首先用微孔濾膜過(guò)濾以除去非水溶性雜質(zhì)，然后超聲脫氣后存儲(chǔ)備用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，在購(gòu)買的兩種飲料樣品中，均檢測(cè)到日落黃的存在。為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，每份樣品均平行檢測(cè)3次，3次電化學(xué)測(cè)定的RSD分別為3.65%和1.82%。此外，將電化學(xué)測(cè)試結(jié)果與高效液相色譜法(HPLC)測(cè)定結(jié)果相比較，相對(duì)誤差小于5%，表明構(gòu)建的電化學(xué)傳感平高具有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確度，該結(jié)果同時(shí)也證實(shí)了制備的Er-BTC/CPE可用于實(shí)際樣品中日落黃的檢測(cè)。

表2 實(shí)際飲品中日落黃的測(cè)定

3 結(jié)論

本文提出了一種室溫條件下，簡(jiǎn)單制備尺寸均一、納米級(jí)短棒狀形貌的稀土基有機(jī)框架材料(Er-BTC)的方法。將制備的Er-BTC用于碳糊修飾材料，可以顯著提高碳糊電極的電子轉(zhuǎn)移速率和電化學(xué)活性面積。基于Er-BTC優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì)，偶氮類分子日落黃在Er-BTC/CPE上表現(xiàn)出了顯著的信號(hào)增強(qiáng)效應(yīng)?；诖?，成功構(gòu)建了一種新型的具有高選擇性、超高靈敏度的日落黃電化學(xué)傳感平臺(tái)，該傳感平臺(tái)可用于日常實(shí)際樣品中日落黃含量的準(zhǔn)確測(cè)定?？紤]到MOFs材料易于修飾性特點(diǎn)，制備的短棒狀納米級(jí)稀土基Er-MOF可以作為一種新型的前驅(qū)體，通過(guò)進(jìn)一步表面處理，為具有更高電化學(xué)活性的核-殼型MOFs或者貴金屬顆粒負(fù)載的MOFs等合成提供指導(dǎo)意義。