ZIF-12在檢測抗壞血酸和L-色氨酸中的應用

李改花，劉爽，馮桂榮

（唐山師范學院化學系，唐山市綠色專用化學品重點實驗室，河北唐山063000）

分子篩咪唑框架（ZIFs）是由二價金屬離子（Zn2+，Co2+等）與咪唑基配位體通過絡合作用，以四配位方式組裝形成的納米多孔晶體材料[1-2]。由于其具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、可調(diào)節(jié)性以及化學多樣性而受到廣泛關注[3-4]。更重要的是，ZIFs的超高表面積和高孔隙率也引起了科研工作者對其在電化學領域應用的極大興趣[5-6]。ZIFs作為多孔材料載體具有大的比表面積，可以為電化學傳感器的檢測提供優(yōu)良的基底材料；其次，ZIFs材料中具有裸露的骨架結(jié)構(gòu)，可以為化學傳感器提供活性位點[7]。

抗壞血酸（Ascorbic acid.A）又稱為維生素C，是一種常見的水溶性維生素，對其在生物體內(nèi)的檢測尤為重要[8-9]。L-氨基酸是一種存在于生物體的有機小分子，是構(gòu)成生物體所需蛋白質(zhì)的基準物質(zhì)。L-氨基酸和抗壞血酸常常共存于生物體內(nèi)，它們的區(qū)分和同步檢測也是化學檢測的難題之一[10]。本實驗以ZIF-12作為電化學傳感器基底材料，采用循環(huán)伏安法分別對抗壞血酸和L-色氨酸進行了檢測，并實現(xiàn)了兩者的同步檢測。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

苯并咪唑，甲苯，甲醇，氨水，四水乙酸鈷，硫酸，硝酸鉀，鐵氰化鉀，抗壞血酸，L-色氨酸，磷酸二氫鉀，磷酸氫二鉀，以上試劑均為分析純。

HJ-2A恒溫磁力攪拌器，YXJ-2高速離心機，VER?TEX70傅里葉紅外光譜儀，LK98A微機電化學分析系統(tǒng)，SIGMA300場發(fā)射掃描電鏡，D/Max-2500 X射線衍射儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 ZIF-12的合成

稱量0.48 g的苯并咪唑溶于19.19 g甲醇，室溫下攪拌，加入18.32 g甲苯和0.07 g氨水，接著加入0.125 g四水合乙酸鈷，室溫下連續(xù)攪拌3 h，完成結(jié)晶。采用離心法收集ZIF-12，并用甲醇洗滌3次，室溫下干燥過夜。

1.2.2 基底電極的預處理

（1）物理活化：用濕潤的鏡頭紙輕輕擦拭玻碳電極（GCE）表面，除去電極表面污物，確保電極表面光滑。取少許0.3 μm的Al2O3于麂皮上，然后滴加少許去離子水，用玻碳電極上絕緣部分稍微攪勻，之后豎直地握住玻碳電極，用力均勻，呈圓形打磨2～3 min。用去離子水沖洗掉電極表面殘留的氧化鋁，再依次用超純水，1∶1 HNO3，1∶1乙醇和超純水超聲清洗2～3 min，除去電極表面的污物。

（2）化學活化：將玻碳電極作為工作電極，甘汞電極作為參比電極，鉑電極為輔助電極組成電解池，在0.5～1.0 mol/L H2SO4溶液中，在電位掃描范圍-1.0～1.0 V，掃描速度為100 mV/s的條件下，用循環(huán)伏安法掃描到標準穩(wěn)定的循環(huán)伏安圖為止，消除化學殘留物對電極的影響。

1.2.3 ZIF-12修飾電極的制備

用微量取樣器移取10 μL的ZIF-12膜溶液，滴加在已經(jīng)處理好的玻碳電極的電極表面，覆蓋住玻碳電極中間的黑色部分，在烘烤燈下烘烤至成膜覆蓋在電極上，制得ZIF-12修飾電極。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZIF-12的結(jié)構(gòu)與表征（圖1）

圖1 （a）ZIF-12的結(jié)構(gòu);（b）X-粉末衍射圖;（c）掃描電鏡圖;（d）紅外光譜圖

以X-粉末衍射、電鏡掃描、紅外光譜表征ZIF-12樣品。由圖1b可見，合成產(chǎn)品衍射峰與ZIF-12單晶數(shù)據(jù)模擬的XRD相比，其特征衍射峰的位置一致，說明該配合物具有較高的相純度。從掃描電鏡中可以看出，ZIF-12是規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu)，粒徑分布約1～3 μm（圖1c）。

2.2 pH對檢測的影響

為了實現(xiàn)更好的檢測效果，以玻碳電極為工作電極，甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極組成電解池，分別對不同pH的緩沖液（pH=6.00，6.50，7.00，7.50，8.00）進行CV掃描。由圖2可知，隨著緩沖溶液pH的增加，峰電流逐漸增大，達到某一點之后開始下降。選取最高點的峰電流所在pH的緩沖溶液作為電解液，即pH=6.80。

圖2 （a）工作電極在不同pH緩沖溶液中的CV圖;（b）峰電流（ip）與電解液pH的關系

2.3 ZIF-12/gelatin/GCE電化學穩(wěn)定測試

以ZIF-12/gelatin/GCE電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極組成三電極體系。用磷酸鹽緩沖液（PBS）（磷酸二氫鉀和磷酸氫二鉀的濃度均為0.2 mol/L）作為電解液（pH=6.80），電位掃描范圍為-1.0～1.0 V，掃描速度為100 mV/s的條件下進行CV掃描20圈。由圖3可見，在多次掃描過程中氧化還原特征峰的峰形良好，峰電流沒有明顯下降，說明ZIF-12在玻碳電極上的耐受性良好，在水體中可以穩(wěn)定存在[11-12]。

圖3 以ZIF-12/gelatin/GCE為工作電極，磷酸鹽緩沖溶液為電解液，電位范圍-1.0～1.0 V，掃描速度為100 mV/s條件下掃描20圈的CV圖

2.4 ZIF-12/gelatin/GCE的CV掃速影響

在以ZIF-12/gelatin/GCE電極為工作電極的三電極體系中，用磷酸鹽緩沖液作為電解液（pH=6.80），電位掃描范圍為-1.0～1.0 V，掃描速度為20～140 mV/s的條件下進行CV掃描。

從圖4a可見，氧化峰和還原峰的電流密度都隨著掃速的增加而增加。根據(jù)氧化還原峰電流（ip）與掃速的平方根（ν1/2）的關系圖4b可以看出，峰電流和掃速的平方根存在線性關系，這說明ZIF-12與玻碳電極之間的電子傳導受擴散過程的影響[13-14]。

圖4 （a）ZIF-12/gelatin/GCE在PBS中掃速變化的CV圖（掃速20～140 mV/s）;（b）峰電流（ip）與掃速平方根（ν1/2）的關系圖

2.5 ZIF-12/gelatin/GCE對抗壞血酸的檢測

以ZIF-12/gelatin/GCE電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極組成三電極體系，電位掃描范圍為-1.0～1.0 V，掃描速度為100 mV/s，在磷酸鹽緩沖液（pH=6.80）中加入不同濃度的抗壞血酸（濃度分別為0.25 mM，0.50 mM，0.75 mM，1.00 mM，1.25 mM，1.50 mM）。

由圖5可見，隨著加入的抗壞血酸濃度的增加，峰電流也呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢。以峰電流（ip）對抗壞血酸濃度（cAA）作圖得到ip～cAA的線性關系圖，線性方程為ip=10.810cAA+6.713，R2=0.995，靈敏度為10.810 μA·cm-2。

圖5 （a）ZIF-12/gelatin/GCE在PBS中加入不同濃度抗壞血酸的CV圖；（b）峰電流（ip）與抗壞血酸濃度（cAA）的關系圖

2.6 ZIF-12/gelatin/GCE對L-色氨酸的檢測

以ZIF-12/gelatin/GCE電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極組成三電極體系，電位掃描范圍為-1.0~1.0 V，掃描速度為100 mV/s，在磷酸緩沖液（pH=6.80）中加入不同濃度的L-色氨酸（濃度分別為0.1 mM，0.2 mM，0.3 mM，0.4 mM，0.5 mM）。

從圖6中可以看出，隨著L-色氨酸濃度的增加，峰電流也呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢。以峰電流（ip）對L-色氨酸濃度（cL-Trp）作圖得到ip～cL-Trp的線性關系圖，線性方程為ip=32.287cL-Trp+3.894，R2=0.994，靈敏度為32.287 μA·cm-2。

圖6 （a）ZIF-12/gelatin/GCE在PBS中加入不同濃度的L-色氨酸的CV圖;（b）峰電流（ip）與L-色氨酸濃度（cL-Trp）的關系圖

2.7 ZIF-12/gelatin/GCE對抗壞血酸和L-色氨酸的同步檢測

以ZIF-12/gelatin/GCE電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極組成三電極體系，電位掃描范圍為-1.0～1.0 V，掃描速度為100 mV/s，在磷酸緩沖溶液（pH=6.80）中加入1.5 mM的抗壞血酸，然后依次加入0.1 mM，0.2 mM，0.3 mM，0.4 mM，0.5 mM的L-色氨酸。

從圖7可以看出，在抗壞血酸的存在下，隨著L-色氨酸濃度的增加，峰電流逐漸增大，這說明，在抗壞血酸存在的條件下，ZIF-12/gelatin/GCE可以穩(wěn)定地檢測L-色氨酸而不受抗壞血酸的干擾。以峰電流（ip）對L-色氨酸濃度對數(shù)（logcL-Trp）作圖得到ip～cL-Trp的線性關系圖，線性方程為ip=18.884 log cL-Trp+37.160，R2=0.991，靈敏度為18.884 μA·cm-2。

圖7 （a）ZIF-12/gelatin/GCE在含有1.5 mM抗壞血酸的PBS中加入不同濃度的L-色氨酸的CV圖;（b）峰電流（ip）與L-色氨酸濃度對數(shù)（logcL-Trp）的關系圖

3 結(jié)論

以苯并咪唑和乙酸鈷為原料，采用室溫攪拌法合成分子篩咪唑骨架-12（ZIF-12），并對其進行了XRD、紅外和掃描電鏡表征。ZIF-12作為生物電化學傳感器材料應用于對抗壞血酸、L-色氨酸、抗壞血酸和L-色氨酸的同步檢測，具有準確度高、穩(wěn)定性強、快速簡便的優(yōu)點。