基于花状Ni-MOF的肾上腺素电化学传感器

Adrenaline Electrochemical Sensor Based on Flower-Like Ni-MOF

摘要

以商用的均苯三甲酸（H₃BTC）为有机功能配体，硝酸镍（Ni（NO₃）₂）为金属源，室温条件下一步制备了具有分级结构的金属有机框架材料花状Ni-MOF。相比于裸碳糊电极，花状Ni-MOF修饰的碳糊电极具有更大的电活性面积和更强的电子转移能力，对神经递质肾上腺素的催化氧化表现出更高的电化学活性。计时库仑法测试表明，具有分级花状结构的Ni-MOF能显著提升肾上腺素在电极表面的富集量，从而提高其电化学氧化信号。基于此，构建了一种新型的高灵敏肾上腺素电化学传感器，其线性检测范围为7.0~2 000 nmol/L，检出限为0.64 nmol/L。

Abstract

Hierarchical structure of flower-like Ni-MOF metal organic framework material was easily prepared via simple one-step mix method at room temperature by using H₃BTC as the functional ligand and Ni(NO₃)₂ as the metal source. Compared with bare carbon paste electrode, the flower-like Ni-MOF modified carbon paste electrode exhibites larger electrochemical active area, stronger electron transfer ability and enhances electro-catalytic activity toward the oxidation of adrenaline. Furthermore, chronocoulometry test shows the flower-like structure of Ni-MOF is able to remarkably improve the accumulation amount of adrenaline, which is in favor of the boosted electrochemical oxidation signal. Based on this, a novel electrochemical sensor was prepared with wide linear range of 7.0-2 000 nmol/L and low detection limit of 0.64 nmol/L.

Graphical abstract

关键词

花状结构 / Ni-MOF / 碳糊电极 / 肾上腺素 / 电化学传感

Key words

flower-like structure / Ni-MOF / carbon paste electrode / adrenaline / electrochemical sensor

0　 引 言

金属有机框架（metal organic frameworks， MOF）化合物是一类新型的多孔有机-无机杂化材料，由功能有机配体和金属离子或离子簇配位桥连形成^［1］。由于MOF材料兼具有机、无机化合物多重结构优势，包括可调控的表面官能团、大的比表面积和丰富的孔洞结构，MOF材料被广泛应用于催化、环境治理、生物诊疗、能源转换等领域^［2］。近年来，将MOF用作电极修饰材料实现目标分析物的高灵敏电化学传感也渐有报道，如具有棒状形貌的铒基框架化合物对偶氮类染料分子显示出显著的电化学氧化信号增强效应^［3］，具有层状结构的铜基框架化合物能够实现H₂O₂的超高灵敏电化学检测^［4］。MOF材料在电化学传感领域展现出巨大的应用潜力。

肾上腺素（adrenaline）是人体内一类重要的神经递质物质，主要由人体肾上腺髓质分泌产生。研究表明，肾上腺素在血压调节、血管收缩、心率跳动、支气管活动等人类生理活动方面扮演着重要的角色^［5］。通常情况下，人体在经历兴奋、恐惧、紧张等刺激情绪时，交感神经肾上腺系统会显著提升血液中的肾上腺素含量。基于其特殊的生理及药理作用，肾上腺素常被用于心脏复苏、心脏骤停、支气管炎、青光眼、肺气肿、过敏性休克等临床治疗^［6］。因此，快速、简单、准确和高灵敏的肾上腺素定量分析技术对生命科学和药物科学的发展具有重要的研究意义。肾上腺分子中具有电活性的酚羟基官能团，理论上电化学分析技术可以实现生理条件下肾上腺素的高灵敏快速检测。电化学检测的核心在于电极敏感材料的构建。近年来，大多数肾上腺素电化学传感器敏感材料主要围绕碳纳米管、石墨烯、碳点等碳基材料展开^［7~10］，基于MOF材料构建的肾上腺素电化学传感器还鲜有报道。因此，设计合成一种高性能的MOF材料，系统研究肾上腺素在其表面的电化学行为、氧化机理，并构建出一种新型的肾上腺素电化学传感器具有一定的科学新颖性。

本研究以商用的均苯三甲酸（H₃BTC）为有机功能配体，硝酸镍（Ni（NO₃）₂）为金属源，采用一步混合法，室温条件下制备出了具有独特分级结构的花状Ni-MOF。将制备的花状Ni-MOF用于修饰碳糊电极，系统研究了其电化学性能。

1　 实验部分

1.1　试剂及仪器

试剂：H₃BTC、六水合硝酸镍（Ni（NO₃）₂·6H₂O）、铁氰化钾（K₃［Fe（CN）₆］）、十二水合磷酸氢二钠（Na₂HPO₄·12H₂O）、二水合磷酸二氢钠（NaH₂PO₄·2H₂O）、氢氧化钠（NaOH）、无水乙醇、肾上腺素、石墨粉、石蜡油均为分析纯级，购自国药集团化学试剂有限公司，实验用水均为去离子水。

仪器：CHI 660E电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）；AXS D8型X射线衍射仪（XRD，Bruker公司）；SU8010型扫描电子显微镜（SEM，Hitachi公司）。

1.2　Ni-MOF的合成

将8 mmol H₃BTC溶解于100 mL无水乙醇中，室温搅拌条件下加入100 mL去离子水和12 mmol Ni（NO₃）₂·6H₂O，待溶液至澄清后，搅拌状态下继续加入24 mmol NaOH。待反应进行30 min后停止搅拌，所得绿色沉淀物用去离子水和无水乙醇（V/V=1∶1）混合溶液洗涤多次，然后，置于真空干燥箱于50 ℃干燥12 h，得到Ni-MOF绿色粉体。

1.3　Ni-MOF修饰碳糊电极的制备

准确称取0.10 g Ni-MOF粉末和0.90 g石墨粉，转移至玛瑙研钵中混合均匀。移取100 μL石蜡油（粘合剂）加至上述固体混合粉末中，手动研磨至混合材料呈均匀糊状且微粘稠，即获得Ni-MOF修饰碳糊材料。将Ni-MOF修饰碳糊材料紧实地填充至碳糊电极（直径为3 mm）顶端空腔内，并在厚度适中的硫酸纸上进行反复打磨至电极表面平展光滑，即制得花状Ni-MOF修饰的碳糊电极，简称Ni-MOF/CPE。采用同样的方法，以纯石墨粉作为填充材料，可获得裸碳糊电极（Bare CPE）。

1.4　肾上腺素电化学分析

实验采用传统的三电极体系，裸碳糊电极和修饰的碳糊电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂柱电极为对电极。采用差分脉冲伏安法（DPV）对肾上腺素进行定量分析，以0.1 mol/L Na₂HPO₄-NaH₂PO₄缓冲溶液（pH 7.0）为肾上腺素测定电解质，富集电位为0.1 V，富集时间为1 min，电势扫描范围为0.1~0.5 V。DPV极化曲线测试其他参数分别为：振幅50 mV，脉冲宽度40 ms，扫描速度40 mV·s^-1。读取DPV极化曲线0.24 V处的氧化峰电流值，并将其作为肾上腺素的电化学分析信号。

2　 结果与讨论

2.1　Ni-MOF的表征

图1A为所制备MOF产物的X射线衍射（XRD）图谱，发现其衍射峰位置与文献报道Ni-MOF衍射图谱结果一致^［11］，表明所制备的产物为Ni-MOF，且具有高的晶体纯度。利用扫描电子显微镜（SEM）对其形貌进行表征，图1B为Ni-MOF的低倍SEM图，可以看出所制备的Ni-MOF呈现聚集态的花状结构，尺寸在10 μm左右；图1C为Ni-MOF的高倍SEM图，可以进一步看出，花状结构的Ni-MOF主要由纳米级的片状纤维个体单元组成。

选用电化学高度可逆的K₃［Fe（CN）₆］为探针分子，系统比较了裸碳糊电极（Bare CPE）和花状Ni-MOF修饰碳糊电极（Ni-MOF/CPE）的电化学反应活性。图2A为裸碳糊电极和Ni-MOF修饰碳糊电极在含有5 mmol/L K₃［Fe（CN）₆］的KCl（1.0 mol/L）溶液中的循环伏安（CV）图，可以看到在两种电极材料表面均出现了一对可逆峰，该可逆峰对应为Fe²⁺/Fe³⁺之间的氧化还原电对^［12］。该氧化还原电对在Bare CPE和Ni-MOF/CPE表面的峰电位差分别为388 mV和222 mV，表明探针分子在Ni-MOF/CPE表面的可逆性得到了极大的改善。另一方面，根据Nicholson理论^［13］，较低的氧化还原峰电位差意味着更高的异相电子转移速率常数，表明Ni-MOF的引入可以显著提升探针分子在碳糊电极表面的电子转移速率。不仅如此，K₃［Fe（CN）₆］探针分子在Ni-MOF/CPE表面的氧化还原峰电流也显著高于Bare CPE表面的氧化还原峰电流，根据Randles-Sevčik方程^［14］，氧化还原峰电流越大，电化学活性面积越高。因此，相比于Bare CPE，Ni-MOF/CPE具有更大的电化学活性面积。

电化学阻抗谱测试进一步比较了Bare CPE和Ni-MOF/CPE的电子转移能力，图2B为Bare CPE和Ni-MOF/CPE在5 mmol/L K₃［Fe（CN）₆］溶液中的Nyquist阻抗图谱。可以看出，Ni-MOF/CPE具有更小的半圆直径。半圆区域代表电极表面反应动力学过程，半圆直径大小可以定性分析电子转移电阻（R_ct）大小，半圆直径越大，电子转移电阻越大^［15］。经电路模拟拟合（图2B插图），可以计算出Bare CPE和Ni-MOF/CPE电子转移电阻（R_ct）值分别为12.73 kΩ和2.69 kΩ。该结果进一步表明Ni-MOF/CPE具有比Bare CPE更强的电子转移能力。

2.2　Ni-MOF对肾上腺素的电化学增敏效应

图3为Bare CPE和Ni-MOF/CPE分别在肾上腺素溶液（500 nmol/L）和空白溶液中的DPV曲线，电解质为0.1 mol/L，pH 7.0 Na₂HPO₄-NaH₂PO₄缓冲溶液，富集电位为0.1 V，富集时间为60 s。可以看出，肾上腺素在Bare CPE和Ni-MOF/CPE表面出现了明显的氧化峰，表明这两种电极材料对肾上腺素的氧化具有良好的电化学活性。相对于Bare CPE，肾上腺素在Ni-MOF/CPE表面的氧化峰峰形更尖锐，氧化峰电位更低，氧化峰电流更大，表明Ni-MOF对肾上腺素的氧化表现出更高的电催化活性。Ni-MOF对肾上腺素的电化学催化氧化表现出显著的信号增敏效应，有利于肾上腺素的高灵敏电化学检测。

为了更好地阐述Ni-MOF/CPE对肾上腺素的电化学增敏现象，选用单电位阶跃计时库仑法对Bare CPE和Ni-MOF/CPE的电化学吸附行为进行了研究。图4A和图4B分别为Bare CPE和Ni-MOF/CPE在空白溶液（0.1 mol/L，pH 7.0 NaH₂PO₄-Na₂HPO₄缓冲溶液）和含有500 nmol/L肾上腺素的上述溶液中的Q-t^1/2曲线图，其中Q（μC）代表电量，t（s）为时间，电位阶跃范围为0.10~ 0.50 V，脉冲宽度为0.25 s。在单电位阶跃Q-t^1/2曲线中，根据Cottrell方程拟合的线性曲线截距为Q_dl + Q_ads总值，其中Q_dl为双电层电容电量，Q_ads为活性物质吸附电量^［16］。计算结果显示，Bare CPE和Ni-MOF/CPE在500 nmol/L肾上腺溶液中的Q_ads值分别为0.002 μC和0.017 μC，表明Ni-MOF对肾上腺素具有优良的吸附能力，很显然，具有优异吸附能力的Ni-MOF有助于肾上腺素电化学氧化信号的增强。Ni-MOF优良的吸附特性可能和其独特的结构相关，一方面，Ni-MOF由片状结构个体单元组成，能够有效避免片状个体的层层堆积问题，充分暴露其吸附位点，从而提高其吸附能力；另一方面，MOF本身是具有微孔结构的化合物，花状Ni-MOF片状个体单元形成了大量的质量输运通道，有利于电解质和目标分析物与电极界面的接触，从而进一步提高其吸附能力。

2.3　肾上腺素的电化学氧化机理

图5A为Ni-MOF/CPE在50 μmol/L肾上腺素溶液中不同扫描速度下的循环伏安图。可以观察到，肾上腺素在0.24 V处出现明显的氧化峰和极其微弱的还原峰，表明肾上腺素在Ni-MOF/CPE表面的电化学反应为不可逆氧化反应。当扫描速度从10 mV/s逐渐增加到200 mV/s时，肾上腺素的氧化峰电流（I_p）逐步增大，且肾上腺素的氧化峰电流与ν^1/2（ν为扫描速度）呈现良好的线性关系（图5B），表明肾上腺素在Ni-MOF/CPE表面的氧化反应为扩散控制的电极过程。此外，在逐步增加扫描速度的同时，发现肾上腺素的氧化峰电位随着扫速的增大而逐步正移（图5C），经拟合发现，肾上腺素氧化峰电位（E_p）和扫描速度的对数（ln ν）之间有着良好的线性关系，斜率值为0.011。对于扩散控制的不可逆电极过程，E_p-lnν曲线斜率为RT/2αnF，其中T为温度（273 K），α为电子转移系数（α=0.5），n为电子转移数，F为法拉第常数（96 485 C/mol）^［17］。结合肾上腺素E_p-lnν斜率值0.011，可计算得到肾上腺素在Ni-MOF/CPE表面的电子转移数n值为2。

为了进一步验证肾上腺素的电化学氧化过程中是否有质子参与，实验选取了不同pH值（5.7、6.0、6.5、7.0、7.5）的磷酸盐缓冲溶液作为测试电解质。图6A为Ni-MOF/CPE在含有500 nmol/L肾上腺素不同pH值电解质溶液中的DPV曲线。可以看出，随着pH值的逐步增大，肾上腺素氧化峰电位（E_p）逐步负移，表明肾上腺素的氧化反应有质子参与。不仅如此，肾上腺素氧化峰电位与测试电解质pH值之间呈现良好的线性关系（图6B），线性方程为E_p（V）=0.66-0.06 pH（R=0.999），斜率为-60 mV/pH。考虑到其斜率值与Nernst方程中的-59 mV/pH近似相等，表明肾上腺素在Ni-MOF/CPE表面的氧化反应过程中参与的质子数与电子数相等。因此，肾上腺素在所制备的Ni-MOF/CPE表面的反应为两个质子、两个电子参与的不可逆氧化反应，其可能的氧化机理如图6C所示。该结果与文献所报道结果相吻合^［18］。除此之外，从图6B可发现，当测试电解质pH值在5.7~7.0范围内逐步增大时，肾上腺素的氧化峰电流也随之逐步增大，在pH 7.0时达到峰值；继续增加pH值至7.5时，肾上腺素的氧化峰电流开始显著降低。很明显，肾上腺素的最佳测试电解质为0.1 mol/L pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液。为了构建性能优异的肾上腺素电化学传感器，后续电化学实验均在该介质中进行。

2.4　肾上腺素的电化学检测

为了进一步提升肾上腺素在Ni-MOF/CPE表面的氧化峰信号，对Ni-MOF修饰剂用量、富集电位和富集时间做了进一步优化。在0.1 mol/L pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液中，以500 nmol/L肾上腺素作为分析对象，采用DPV测试记录肾上腺素在不同条件下的电流值，实验发现当Ni-MOF修饰剂质量分数为10%，富集电位为0.1 V，富集时间为60 s时，可以高效获取较大的肾上腺素氧化峰信号。因此，选取该条件为肾上腺素电化学传感平台构建的最佳条件。

为了评估Ni-MOF/CPE对肾上腺素电化学响应的重现性，制备了11支花状Ni-MOF质量分数为10%的碳糊电极，在含有500 nmol/L肾上腺素的0.1 mol/L pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液中进行DPV扫描，富集电位为0.1 V，富集时间为60 s，记录肾上腺素电化学氧化电流值。结果发现，11支Ni-MOF/CPE上肾上腺素氧化峰电流值相对标准偏差（RSD）为3.2%，表明Ni-MOF/CPE具有较好的重现性及稳定性。

对肾上腺素检测过程中可能存在的干扰物进行了研究，发现10 000倍浓度的葡萄糖、尿素、Cl^-、Na⁺，1 000倍浓度的甘氨酸，200倍浓度的黄嘌呤、次黄嘌呤对肾上腺素的氧化信号无干扰（电流值变化< 5%）。

将Ni-MOF/CPE置于不同浓度肾上腺素溶液中进行DPV测试，记录氧化峰电流。图7A为Ni-MOF/CPE在不同浓度肾上腺素溶液中的DPV曲线，发现肾上腺素氧化峰信号随其浓度的增加而逐步增加。同时，其氧化峰电流I_p（μA）与其浓度c（nmol/L）在7.0~2 000 nmol/L浓度范围内呈现良好的线性关系（图7B），线性方程为：I_p=1.42 × 10^-4c（R=0.999）。基于三倍信噪比，计算得到肾上腺素在Ni-MOF/CPE表面的检出限（LOD）为0.64 nmol/L，性能显著优于文献报道的其他电极材料（表1）。

2.5　样品分析

为了证实构建的肾上腺素电化学传感器在实际样品检测中的应用潜力，以药店购买的某品牌盐酸肾上腺素注射液为目标分析对象，采用建立的电化学方法对其中肾上腺素含量进行定量分析。测定前，首先将样品用蒸馏水稀释10倍，移取25 μL稀释液加入到10.0 mL 0.1 mol/L的磷酸盐缓冲溶液（pH 7.0）中，在最优测试条件下进行DPV检测，每份样品均平行测定3次。采用了标准加入法对样品中肾上腺素含量进行分析，如表2所示，样品中肾上腺素浓度为1.78 mmol/L。RSD均小于4.50%，表明该方法具有较高的准确性。将实际样品进行了两次加标测定，回收率在100%~102%之间，进一步表明建立的肾上腺素电化学传感平台可用于实际样品的检测（表2）。

3　 结 语

本研究采用简单的一步共混法制备了具有独特形貌的花状Ni-MOF，其结构组成单元为纳米级的片状纤维，这种分层结构的Ni-MOF能够显著提升碳糊电极的电化学活性面积和电子转移速率。制备的花状Ni-MOF对肾上腺素的电化学吸附及催化氧化表现出明显的增敏效应，能显著提升肾上腺素的氧化电流信号。基于花状Ni-MOF显著的信号增强效应，构建了一种新型的超高灵敏度的肾上腺素电化学传感平台，该方法可用于实际样品的检测。本文提出的花状Ni-MOF合成策略可能为后续具有分级结构的衍生物及复合物的合成提供一定指导，并在其他生物小分子的高灵敏检测中展现独特的应用价值。

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基金资助

国家自然科学基金资助(21804031)