Cu@Co 雙核MOFs 衍生碳材料用于黃芩素的電化學(xué)傳感分析

魯猷欒，穆新偉，劉耀鵬，石 震，鄭 寅?，黃文勝

1. 湖北民族大學(xué)超輕彈性體材料綠色制造民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 恩施445000；2. 湖北民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北恩施445000

0 引 言

黃芩素（baicalein，BA）是一種常見的黃酮類物質(zhì)，已在臨床試驗(yàn)中表現(xiàn)出抗菌、抗炎、改善腦血循環(huán)及抗血小板凝集的作用，但攝入量過多時也會損傷機(jī)體［1～3］。已報(bào)道的用于BA 定量分析的方法有毛細(xì)管電泳法［4］、薄層色譜法［5］、紫外分光光度法［6］和高效液相色譜法［7］等，這些方法或需要復(fù)雜的預(yù)處理過程，或需要昂貴的儀器，或需要較長的檢出時間，因而在實(shí)際使用中屢屢受限。相比之下，電化學(xué)傳感具有操作簡單、耗費(fèi)少、響應(yīng)快及可實(shí)時檢測等優(yōu)點(diǎn)，更適用于BA 的定量分析。

金屬有機(jī)框架（metal organic frameworks，MOFs）材料因孔隙率高、結(jié)構(gòu)和功能性多樣等優(yōu)點(diǎn)在吸附、儲能、傳感等領(lǐng)域得到廣泛研究［8～11］。在電化學(xué)傳感過程中，MOFs 的金屬中心離子可通過提供豐富的活性位點(diǎn)來增加電極與待測物間的親和力，因此可賦予電化學(xué)傳感器較高的靈敏度［12，13］。但是，由于MOFs 的導(dǎo)電性不太理想，不適合直接用于構(gòu)筑電化學(xué)傳感器。為提高其導(dǎo)電效果，一般會將MOFs 用作前驅(qū)體來制備多孔碳材料［14］或金屬氧化物材料［15］。MOFs 的金屬氧化物可同時保留前驅(qū)體的形貌和金屬中心離子，而相比于單核MOFs，雙核MOFs 的金屬氧化物中雙金屬離子間可在電化學(xué)傳感過程產(chǎn)生協(xié)同作用，形成的局部“電容器”效應(yīng)能夠進(jìn)一步增強(qiáng)材料的電導(dǎo)率，因而更 適 用 于 電 化 學(xué) 傳 感 領(lǐng) 域［16，17］。目 前，將 雙 核MOFs 的金屬氧化物應(yīng)用于電化學(xué)傳感器的研究較為少見，而基于雙核MOFs 金屬氧化物測定BA 的電化學(xué)傳感器未見報(bào)道。

納米CoO 對有機(jī)物分子具有良好的親和力［18］，而納米Cu 具有良好的導(dǎo)電效果［19］，因此將兩者聯(lián)合運(yùn)用可有效增敏電化學(xué)傳感器。本文以Cu 鹽和Co 鹽為金屬源，通過水熱法合成了Cu@Co 雙核MOFs，并以此為前驅(qū)體經(jīng)熱解法制備了一類Cu@C@CoO 材料，然后分別將其修飾到玻碳電極表面，通過電化學(xué)交流阻抗技術(shù)（EIS）、循環(huán)伏安法（CV）、微分脈沖伏安法（DPV）等方法比較了它們的電化學(xué)性能，通過優(yōu)化BA 的檢測條件，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際樣品中BA 的檢測。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：CHI 660E 型電化學(xué)分析儀（三電極體系中的工作電極為玻碳電極（GCE，直徑3 mm），對電極為鉑片電極，參比電極為飽和Hg/Hg2Cl2電極（SCE），上海辰華公司）；GWL-1600 型管式爐（南京南大儀器廠）；Quanta FEG250 型掃描電子顯微鏡（SEM，F(xiàn)EI 公司）；XRD-7000 型X 射線衍射儀（XRD，Shimadzu 公司）；ESCALAB 250Xi 型X 射線光電子能譜分析儀（XPS，賽默飛世爾科技有限公司）；LabRAM HR800 型激光共聚焦拉曼光譜儀（Raman，HORIBA Jobin Yvon 公司）；熱重分析儀（TGA，SII 公司）；Autosorb iQ 型全自動比表面和孔徑分析儀（Quantachrome 公司）。

試劑：Co（NO3）2·6H2O、Cu（NO3）2·3H2O、1，3，5-均苯三甲酸（TMA）、乙二醇（EG）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、聚乙烯吡咯烷酮（PTA，平均分子質(zhì)量44 000～54 000）為化學(xué)純，黃芩素（BA）為分析純，均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；磷酸鹽緩沖液（PBS）由0.1 mol/L 的Na2HPO4和KH2PO4混合配制；鐵氰化鉀溶液（PFS）由Fe［（CN）6］3-/4-和KCl 混合配制，其濃度分別為0.005 mol/L 和0.100 mol/L；所有溶液均由去離子水配制。

1.2 材料制備

在DMF 與EG 體積比為1∶1 的50 mL 混合溶液中 加 入2.5 g Co（NO3）2·6H2O、2.5 g Cu（NO3）2·3H2O、1.5 g TMA、1.0 g PTA，攪 拌 均 勻 后 在150 ℃條件下水熱反應(yīng)10 h，得到的固體物用乙醇和去離子水分別洗滌3 次，然后在60 ℃下干燥，獲得前驅(qū)體雙核MOFs。將雙核MOFs 置于管式爐中，分別在N2氛圍下以2 ℃/min 的速率升至400、500、600 ℃并維持1 h，然后自然冷卻至室溫。將得到的MOFs 衍生碳材料分別命名為Cu@C@CoO-400、Cu@C@CoO-500 和Cu@C@CoO-600。

1.3 修飾電極的制備

用0.05 μm 的Al2O3勻漿拋光GCE 后，再 分 別將其浸入乙醇和去離子水超聲30 s，晾干。取10 mg 不同熱解溫度制備的MOFs 衍生碳材料于10 mL DMF 溶液中，超聲3 h 制成分散液，然后取5 μL分散液滴涂在電極表面，于紅外燈下干燥，根據(jù)熱解溫度的不同分別記為Cu@C@CoO-400/GCE、Cu@C@CoO-500/GCE與Cu@C@CoO-600/GCE。圖1 為修飾電極的制備流程與BA 的反應(yīng)機(jī)理圖。

圖1 修飾電極的制備流程及其與BA 的反應(yīng)機(jī)理圖Fig.1 Flow chart of preparation and reaction mechanism with BA of the modified electrode

1.4 電化學(xué)測試

采用電化學(xué)阻抗（EIS）研究電極的電化學(xué)性能時，支撐電解質(zhì)為PFS 溶液，脈沖頻率范圍為0.01 Hz～100 kHz，脈沖振幅為5 mV；采用循環(huán)伏安法（CV）研究電極的電化學(xué)性能時，支撐電解質(zhì)為pH 7.0 的PBS 溶液，掃描速率為100 mV/s，掃描范圍為-0.2～0.6 V。

采用CV 法和差分脈沖伏安法（DPV）研究BA的電化學(xué)行為時，支撐電解質(zhì)均為含1×10-6mol/L BA 的PBS 溶液（pH 2.0），CV 的 掃 描 速 率 為100 mV/s，掃描范圍為0.2～0.8 V；DPV 的富集電位為0 V，富集時間為150 s，脈沖振幅為50 mV，脈沖寬度為50 ms，掃描速率為50 mV/s，掃描范圍為0.2～0.6 V。

所有電化學(xué)測試都是在三電極體系的CHI 660E 電化學(xué)工作站進(jìn)行的。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料表征

圖2（a）、（b）和（c）分別 為Cu@C@CoO-400、Cu@C@CoO-500 和Cu@C@CoO-600 的 掃 描 電 鏡（SEM）圖?？梢钥闯觯饘俚募{米顆粒被三維互連的碳?xì)げ牧暇o密包圍，且隨著熱解溫度的增加，碳?xì)げ牧厦黠@減少。

本文根據(jù)光伏逆變器的特點(diǎn)，利用關(guān)鍵器件TMS320F240、SG3525、ICL8038，進(jìn)行逆變器的研究和設(shè)計(jì).該系統(tǒng)的基本功能比較完善，成本較低，開發(fā)周期較短，適合于市場推廣.

圖2（d）（e）（f）分別為不同熱解材料的透射電鏡（TEM）圖?？梢钥闯觯^高溫度下制備的熱解材料內(nèi)部納米Cu 和納米CoO 顆粒的間距明顯較大（圖2（f）），同時粒徑變大且分布更加均一。這主要?dú)w因于高溫條件下PTA 和配體等成分的進(jìn)一步碳化分解，同時由于雙核MOFs 的熱解程度加劇，生成的還原Cu 與CoO 也越來越多，并隨著碳層逐漸減少而變得均勻。

圖2 各碳材料的SEM 圖(a)～(c)及對應(yīng)的TEM 圖(d)～(f)Fig.2 SEM images (a)-(c)and TEM images (d)-(f)of the carbon materials

圖3 為前驅(qū)體Cu@C@CoO 的TGA 曲線?？梢钥闯觯?50 ℃之前該材料比較穩(wěn)定，失重率為12.06%，失重部分主要為材料內(nèi)部殘存的部分溶劑；從350 ℃到600 ℃，材料失重比例急劇增加，失重率達(dá)到58.45%，這是由于PTA 和有機(jī)配體等的熱解［17］，在600 ℃以后，材料中的PTA 和有機(jī)配體等基本碳化完全，形成了穩(wěn)定的碳層結(jié)構(gòu)，而納米金屬的形態(tài)穩(wěn)定，因此殘余質(zhì)量基本不變。

圖3 Cu@C@CoO 的TGA 曲 線Fig.3 The TGA curves of Cu@C@CoO

圖4 為各碳材料的Raman 光譜。Raman 光譜中D 峰（273.10 cm-1）強(qiáng)度ID與G 峰（661.20 cm-1）強(qiáng)度IG的比值可反映材料的石墨化程度，該值越低則材料的石墨化程度越高［20］。經(jīng)計(jì)算，Cu@C@CoO-400、Cu@C@CoO-500 和Cu@C@CoO-600 的ID/IG分別為1.55、1.19 和1.07，說明在較高熱解溫度下制備的Cu@C@CoO-600 石墨化程度最高。

圖4 各碳材料的Raman 光譜Fig.4 Raman spectra of the carbon materials

各碳材料的XRD 圖譜如圖5 所示。其中，22°左右出現(xiàn)的特征峰對應(yīng)為無定形碳的（002）晶面；42.8°、50.2°和73.2°處衍射峰分別對應(yīng)于Cu 的（111）、（200）和（220）晶面，表明該材料中的納米Cu為典型的面心立方結(jié)構(gòu)；36.5°、43.2°、62.5°和76.5°出現(xiàn)的衍射分別對應(yīng)于CoO 的（111）、（200）、（220）和（222）晶面，表明該材料中的CoO 同樣為典型的面心立方結(jié)構(gòu)［21］。

圖5 各碳材料的XRD 圖Fig.5 XRD spectra of the carbon materials

以Cu@C@CoO-600 為例研究了碳材料的XPS譜圖，分析材料中各元素的化學(xué)環(huán)境。圖6（a）為XPS 總譜圖，結(jié)合能在285、532、780 eV 和932 eV處的分峰分別歸屬于C 1s、O 1s、Co 2p 和Cu 2p；圖6（b）為C 1s 的擬合峰，其在284.3 eV 和288.3 eV處的分峰分別對應(yīng)于C=C 和C=O 鍵，285.5 eV處分峰對應(yīng)于碳的石墨形態(tài)（HOPG）；圖6（c）為O 1s 的擬合峰，顯示了該材料中O 的3 種形態(tài)，其在529.0、530.5 和531.6 eV 處的分峰分別歸屬于O—Co、O—H 和O—C 鍵；圖6（d）為Co 2p 的擬合峰，Co 元素呈現(xiàn)3種價態(tài)，780.0 eV 處對應(yīng)Co 2p3/2，785.5 eV 處 對 應(yīng)CoO，795.8 eV 處 對 應(yīng)Co 2p1/2，802.0 eV 處的分峰為Co 的衛(wèi)星峰（Sat）；圖6（e）為Cu 2p 的擬合峰，表明該材料中的Cu 以游離態(tài)存在，在931.6、933.5、951.5 eV 和953.6 eV 處的分峰分 別 歸 屬 于CuCl（Co（NO3）2·6H2O 和Cu（NO3）2·3H2O 雜質(zhì)成分中的Cl）、Cu 2p3/2、Cu 2p1和Cu 2p1/2，939.9 和942.9 eV 處的結(jié)合能分峰歸屬于Cu 2p3/2的衛(wèi)星峰（Sat）。以上結(jié)果說明，Cu 和Co 在碳材料中是以納米Cu 及納米CoO 的形態(tài)存在。

圖6 Cu@C@CoO-600 的XPS 總譜(a)和C 1s(b)、O 1s(c)、Co 2p(d)、Cu 2p(e)的XPS 曲線圖Fig.6 XPS spectrum (a)and XPS plots of C 1s (b), O 1s (c), Co 2p (d), Cu 2p (e)of Cu@C@CoO-600

2.2 材料的電化學(xué)性能

圖7（a）為不同電極在PFS 溶液中的EIS 譜圖，圖中曲線不同的高頻區(qū)圓弧半徑反映了電子在該電極表面轉(zhuǎn)移電阻的大小。其中，Cu@C@CoO-600/GCE 的圓弧半徑最小，說明其電阻最小，材料表面電子傳遞速率最快。這可能是由于材料中三維互連的碳?xì)び行Т龠M(jìn)了電子的快速遷移，且隨著熱解溫度升高，碳層變薄，電子的遷移速率加快。圖7（b）為不同電極在pH 7.0 的空白PBS 溶液中的CV 曲線。其中，Cu@C@CoO-600/GCE 的界面電容和氧化電流明顯大于GCE，但小于Cu@C@CoO-400/GCE 和Cu@C@CoO-500/GCE。這可能是由于在較低熱解溫度（400、500 ℃）下，Co 被氧化的程度較低，因此在CV 測試中被繼續(xù)氧化而表現(xiàn)出較高的氧化電流。Cu@C@CoO-400 和Cu@C@CoO-500 較高的電容則可能源于較低溫度熱解導(dǎo)致較多的碳層殘余量。盡管界面電容較大有利于電子傳輸，但氧化電流過大會干擾傳感器對待測物的檢測效果，因此，結(jié)合前文表征結(jié)果，選擇Cu@C@CoO-600/GCE 作為BA 的電化學(xué)傳感器。

圖7 不同電極在PFS 溶液中的EIS 曲線(a)和在PBS 溶液中的CV 曲線(b)Fig.7 EIS curves (a)in PFS and CV curves (b)in PBS of the different electrodes

2.3 BA 在不同修飾電極上的電化學(xué)行為

2.3.1 CV 與DPV 曲 線

圖8 為PBS 溶液（pH 2.0）中不同電極對10.0 μmol/L BA 的CV 曲線（a）和DPV 曲線（b）。圖8（a）中，BA 對GCE 響應(yīng)電流的氧化還原峰電位差ΔE為0.121 V，而Cu@C@CoO-400/GCE、Cu@C@CoO-500/GCE 和Cu@C@CoO-600/GCE 的ΔE分 別 為0.073、0.066 和0.056 V，表明3 個碳材料都提高了GCE 表面 的電子 轉(zhuǎn)移速率。 此外，BA 在Cu@C@CoO-600/GCE 表面的氧化還原反應(yīng)為準(zhǔn)可逆反應(yīng)，根據(jù)Laviron 公式［13］計(jì)算其反應(yīng)中的電子交換數(shù)n=1，大于其他電極。這歸因于較高熱解溫度下形成的較薄碳層可更好地充當(dāng)電子傳導(dǎo)的橋梁，而基于兩種金屬納米顆粒間可能形成的局部“電容器”效應(yīng)，增加了該類材料在電化學(xué)測試過程中的電子交換數(shù)量［16，17］。

圖8（b）比較了DPV 測試中不同電極對BA 的檢測效果，峰電流Ip的大小代表Cu@C@CoO-600/GCE 對BA 的檢測效果。其中，在熱解溫度較低（400、500 ℃）時，由于Cu@C@CoO 中的PTA 及部分配體未完全碳化，影響了納米金屬對BA 的親和力，因此，Cu@C@CoO-400/GCE 和Cu@C@CoO-500/GCE 對BA 的檢測效果較差；而在熱解溫度較高（600 ℃）時，得益于Cu@C@CoO-600 中碳層更薄且納米金屬顆粒尺寸和分布更均勻，Cu@C@CoO-600/GCE 對BA 表現(xiàn)出最好的檢測效果。

圖8 不同電極對BA 檢測的CV 曲線(a)和DPV 曲線(b)Fig.8 CV curves (a)and DPV curves (b)of BA detected by different electrodes

為探究最佳檢測效果，研究了不同pH 環(huán)境（pH=2.0、2.5、3.0、3.5、4.0）對Cu@C@CoO-600/GCE 檢測10.0 μmol/L BA 效果的影響。圖9（a）為不同pH 值的PBS 溶液中Cu@C@CoO-600/GCE 對BA 檢測的DPV 曲線，圖9（b）中反映了電流與pH 值的關(guān)系。可以看出，BA 對Cu@C@CoO-600/GCE 的響應(yīng)電流值在pH 2.0 的環(huán)境中最大，說明在此pH 環(huán)境中待測物的活性更強(qiáng)，更易被檢出。此 外，圖9（b）還 反 映 了BA 對Cu@C@CoO-600/GCE 的響應(yīng)電流所對應(yīng)峰電勢E與pH 值的關(guān)系，其擬合方程為E（V）= 0.57 +0.08 pH，說明有等量的電子和質(zhì)子參與了電極表面的電化學(xué)反應(yīng)［22］。綜上，選用pH 2.0 的PBS 溶液作為底液。

圖9 不同pH 值的PBS 溶液中Cu@C@CoO-600/GCE 對BA 檢測的DPV 曲線(a)，響應(yīng)電流及峰電勢與pH 值的關(guān)系(b)Fig.9 DPV curves of Cu@C@ COO-600 /GCE for BA detection in PBS solutions with different pH values (a),relationship between potential, current and pH (b)

2.3.3 掃描速率對檢測BA 的影響

圖10（a）和（b）分別為在含10.0 μmol/L BA 的PBS（pH 2.0）中、不同掃描速率下，Cu@C@CoO-600/GCE 的CV 曲線及其線性關(guān)系曲線。圖10（a）顯示，在掃描速率為從20 mV/s 增加至500 mV/s時，BA 的氧化峰電流（Ipa）/還原峰電流（Ipc）隨掃描速率的增大而不斷增加，說明此時電化學(xué)反應(yīng)主要受吸附過程影響［22］。 圖10（b）反映出BA 對Cu@C@CoO-600/GCE 的響應(yīng)電流值與掃描速率呈良好的線性關(guān)系。

圖10 不同掃描速率時BA 對Cu@C@CoO-600/GCE 響應(yīng)的CV 曲線(a)及其關(guān)系曲線(b)Fig.10 CV curves of BA response to Cu@C@ COO-600 /GCE at different scanning rates (a)and the linear relation curve (b)1-10：20，40，60，80，100，150，200，300，400，500 mV/s

2.4 方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限

在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，將Cu@C@CoO-600/GCE應(yīng)用于定量分析BA。圖11（a）顯示，BA 的氧化峰電流值隨其含量的增加而不斷增加；對其進(jìn)行擬合分析（圖11（b）），發(fā)現(xiàn)BA 的氧化峰電流值與其濃度在0.005～10 μmol/L 范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系。根據(jù)計(jì)算：在0.005～0.5 μmol/L 濃度范圍內(nèi)，其線性擬合方程為Ip（μA）=41.89c（μmol/L）-0.39（R12=0.99），靈敏度為590 A·（mol/L）-1·cm-2，檢出限為1.32×10-10mol/L；在0.5～10 μmol/L范圍內(nèi)，其線 性 擬合方程 為Ip（μA）=14.21c（μmol/L）-21.60（R22=0.99），靈敏度為200 A·（mol/L）-1·cm-2，檢出限為0.390 nmol/L。相對于已報(bào)道的方法［23～30］（表1），本文所構(gòu)建的BA 電化學(xué)傳感器Cu@C@CoO-600/GCE 具有靈敏度高、檢出限低的優(yōu)點(diǎn)。

表1 BA 檢測方法對比Table 1 Comparison of different methods for BA determination mol/L

圖11 Cu@C@CoO-600/GCE 檢測BA 的DPV 曲線(a)和對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線(b)Fig.11 DPV curves (a)and corresponding standard curve (b)for BA detection by Cu@C@CoO-600/GCE 1-18：0，0.005，0.01，0.02，0.03，0.04，0.05，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，1.0，2.0，4.0，6.0，8.0，10.0 μmol/L BA

2.5 方法的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和抗干擾能力

研 究 了 Cu@C@CoO-600/GCE 檢 測 10.0 μmol/L BA 的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。將使用過的Cu@C@CoO-600/GCE 在室溫下放置一周，再次用于檢測BA，響應(yīng)電流峰值的變化為3.70%；使用一支Cu@C@CoO-600/GCE 重復(fù)測定20 次，響應(yīng)電流峰值的變化為3.20%。這些結(jié)果表明該傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

向10.0 μmol/L BA 溶液中分別加入1 000 倍的K2SO4、NaCl、FeCl3，發(fā)現(xiàn) 對BA 的響 應(yīng)電流峰 值的影響均小于5%；向10.0 μmol/L BA 溶液中分別加入50 倍的葡萄糖，20 倍的丙氨酸、賴氨酸和甘氨酸，對BA 的響應(yīng)電流峰值的影響均小于5%。上述結(jié)果顯示該傳感器具有較好的抗干擾能力。

2.6 實(shí)際樣品檢測

考察了Cu@C@CoO-600/GCE 電化學(xué)傳感器用于檢測實(shí)際樣品的可行性。取2 μL 雙黃連口服液于10 mL 容量瓶中，用PBS 溶液（pH 2.0）定容。由表2 知，向?qū)嶋H樣品溶液中加入標(biāo)準(zhǔn)的BA 溶液后，其回收率為99.23%～101.80%，RSD 均小于5%。

表2 實(shí)際樣品中BA 的檢測結(jié)果(n=3)Table 2 Determination results of BA in real samples (n=3)

3 結(jié) 語

本文采用水熱法合成Cu@Co 雙核MOFs，再將其熱解后修飾到GCE 表面，構(gòu)建了用于檢測BA 的電化學(xué)傳感器。Cu@C@CoO-600 中Cu 和CoO 納米顆粒的尺寸及分布更均勻，碳層能更好地發(fā)揮促進(jìn)電子傳導(dǎo)的作用；納米CoO 對BA 表現(xiàn)出較好的親和力，納米Cu 增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性能。該傳感器在用于BA 的定量分析時，線性范圍較寬且檢出限優(yōu)于已報(bào)道方法，同時具有較好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和抗干擾能力，在用于實(shí)際樣品檢測時也表現(xiàn)良好。