Cu@Co双核MOFs衍生碳材料用于黄芩素的电化学传感分析

Cu@Co Binuclear MOFs Derived Carbon Materials for Electrochemical Sensing of Baicalein

摘要

采用水热法合成了Cu@Co双核金属有机框架（MOFs）材料，以其为前驱体分别在400、500、600 ℃热解制备了一类MOFs衍生碳材料，并用作电极修饰材料构建了一种检测黄芩素（BA）的电化学传感器。使用电化学交流阻抗技术（EIS）和循环伏安法（CV）研究了该传感器的电化学性能，并在pH 2.0的磷酸缓冲溶液（PBS）中用微分脉冲伏安法（DPV）和CV法考察了BA在不同电极上的电化学行为。结果表明，600 ℃热解的MOFs衍生碳材料修饰的电极对BA的检测效果最佳。基于此，建立了一种可定量分析BA的新方法，线性范围为5×10^-9~1×10^-5 mol/L，检出限为1.32×10^-10 mol/L。通过加标回收法对双黄连口服液样品中的BA进行检测，加标回收范围为99.23%~101.80%。

Abstract

Cu@Co binuclear metal organic frameworks (MOFs) materials were synthesized by hydrothermal method, and these precursors were used to prepare a class of MOFs-derived carbon materials by pyrolysis at 400, 500 and 600 ℃, respectively. Then, the electrochemical sensors for the detection of baicalein (BA) were constructed by using MOFS-derived carbon materials as electrode modification materials. The electrochemical properties of the sensors were tested by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV), and the electrochemical behavior of BA on different electrodes were investigated by differential pulse voltammetry (DPV) and CV in pH 2.0 phosphate buffer solution (PBS), which turned out that the electrode modified with MOFs-derived carbon material pyrolysis at 600 ℃ showed the best detection effect for BA. Based on this, a new scheme for quantitative analysis of baicalin has been established with the linear detection range of 5×10^-9-1×10^-5 mol/L and the lower detection limit of 1.32×10^-10 nmol/L. When the method is applied to the analysis of BA in Shuanghuanglian oral liquid samples by standard recovery, the recovery range is 99.23%-101.80%.

Graphical abstract

0　 引 言

黄芩素（baicalein，BA）是一种常见的黄酮类物质，已在临床试验中表现出抗菌、抗炎、改善脑血循环及抗血小板凝集的作用，但摄入量过多时也会损伤机体^［1~3］。已报道的用于BA定量分析的方法有毛细管电泳法^［4］、薄层色谱法^［5］、紫外分光光度法^［6］和高效液相色谱法^［7］等，这些方法或需要复杂的预处理过程，或需要昂贵的仪器，或需要较长的检出时间，因而在实际使用中屡屡受限。相比之下，电化学传感具有操作简单、耗费少、响应快及可实时检测等优点，更适用于BA的定量分析。

金属有机框架（metal organic frameworks， MOFs）材料因孔隙率高、结构和功能性多样等优点在吸附、储能、传感等领域得到广泛研究^［8~11］。在电化学传感过程中，MOFs的金属中心离子可通过提供丰富的活性位点来增加电极与待测物间的亲和力，因此可赋予电化学传感器较高的灵敏度^{［12， 13］}。但是，由于MOFs的导电性不太理想，不适合直接用于构筑电化学传感器。为提高其导电效果，一般会将MOFs用作前驱体来制备多孔碳材料^［14］或金属氧化物材料^［15］。MOFs的金属氧化物可同时保留前驱体的形貌和金属中心离子，而相比于单核MOFs，双核MOFs的金属氧化物中双金属离子间可在电化学传感过程产生协同作用，形成的局部“电容器”效应能够进一步增强材料的电导率，因而更适用于电化学传感领域^{［16， 17］}。目前，将双核MOFs的金属氧化物应用于电化学传感器的研究较为少见，而基于双核MOFs金属氧化物测定BA的电化学传感器未见报道。

纳米CoO对有机物分子具有良好的亲和力^［18］，而纳米Cu具有良好的导电效果^［19］，因此将两者联合运用可有效增敏电化学传感器。本文以Cu盐和Co盐为金属源，通过水热法合成了Cu@Co双核MOFs，并以此为前驱体经热解法制备了一类Cu@C@CoO材料，然后分别将其修饰到玻碳电极表面，通过电化学交流阻抗技术（EIS）、循环伏安法（CV）、微分脉冲伏安法（DPV）等方法比较了它们的电化学性能，通过优化BA的检测条件，实现了实际样品中BA的检测。

1　 实验部分

1.1　仪器与试剂

仪器：CHI 660E型电化学分析仪（三电极体系中的工作电极为玻碳电极（GCE，直径3 mm），对电极为铂片电极，参比电极为饱和Hg/Hg₂Cl₂电极（SCE），上海辰华公司）；GWL-1600型管式炉（南京南大仪器厂）；Quanta FEG250型扫描电子显微镜（SEM， FEI公司）；XRD-7000型X射线衍射仪（XRD， Shimadzu公司）；ESCALAB 250Xi型X射线光电子能谱分析仪（XPS， 赛默飞世尔科技有限公司）；LabRAM HR800型激光共聚焦拉曼光谱仪（Raman， HORIBA Jobin Yvon 公司）；热重分析仪（TGA， SII公司）；Autosorb iQ型全自动比表面和孔径分析仪（Quantachrome公司）。

试剂：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，平均分子质量44 000~54 000）为化学纯，黄芩素（BA）为分析纯，均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；磷酸盐缓冲液（PBS）由0.1 mol/L的Na₂HPO₄和KH₂PO₄混合配制；铁氰化钾溶液（PFS）由Fe［（CN）₆］^3-/4-和KCl混合配制，其浓度分别为0.005 mol/L和0.100 mol/L；所有溶液均由去离子水配制。

1.2　材料制备

在DMF与EG体积比为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，搅拌均匀后在150 ℃条件下水热反应10 h，得到的固体物用乙醇和去离子水分别洗涤3次，然后在60 ℃下干燥，获得前驱体双核MOFs。将双核MOFs置于管式炉中，分别在N₂氛围下以2 ℃/min的速率升至400、500、600 ℃并维持1 h，然后自然冷却至室温。将得到的MOFs衍生碳材料分别命名为Cu@C@CoO-400、Cu@C@CoO-500和Cu@C@CoO-600。

1.3　修饰电极的制备

用0.05 μm的Al₂O₃匀浆抛光GCE后，再分别将其浸入乙醇和去离子水超声30 s，晾干。取10 mg不同热解温度制备的MOFs衍生碳材料于10 mL DMF溶液中，超声3 h制成分散液，然后取5 μL分散液滴涂在电极表面，于红外灯下干燥，根据热解温度的不同分别记为Cu@C@CoO-400/GCE、Cu@C@CoO-500/GCE与Cu@C@CoO-600/GCE。图1为修饰电极的制备流程与BA的反应机理图。

1.4　电化学测试

采用电化学阻抗（EIS）研究电极的电化学性能时，支撑电解质为PFS溶液，脉冲频率范围为0.01 Hz~100 kHz， 脉冲振幅为5 mV；采用循环伏安法（CV）研究电极的电化学性能时，支撑电解质为pH 7.0的 PBS溶液，扫描速率为100 mV/s，扫描范围为-0.2~0.6 V。

采用CV法和差分脉冲伏安法（DPV）研究BA的电化学行为时，支撑电解质均为含1×10^-6 mol/L BA的PBS溶液（pH 2.0），CV的扫描速率为100 mV/s，扫描范围为0.2~0.8 V；DPV的富集电位为0 V，富集时间为150 s，脉冲振幅为50 mV，脉冲宽度为50 ms，扫描速率为50 mV/s，扫描范围为0.2~0.6 V。

所有电化学测试都是在三电极体系的CHI 660E电化学工作站进行的。

2　 结果与分析

2.1　材料表征

图2（a）、（b）和（c）分别为Cu@C@CoO-400、Cu@C@CoO-500和Cu@C@CoO-600的扫描电镜（SEM）图。可以看出，金属的纳米颗粒被三维互连的碳壳材料紧密包围，且随着热解温度的增加，碳壳材料明显减少。

图2（d）（e）（f）分别为不同热解材料的透射电镜（TEM）图。可以看出，较高温度下制备的热解材料内部纳米Cu和纳米CoO颗粒的间距明显较大（图2（f）），同时粒径变大且分布更加均一。这主要归因于高温条件下PTA和配体等成分的进一步碳化分解，同时由于双核MOFs的热解程度加剧，生成的还原Cu与CoO也越来越多，并随着碳层逐渐减少而变得均匀。

图3为前驱体Cu@C@CoO的TGA曲线。可以看出，在350 ℃之前该材料比较稳定，失重率为12.06%，失重部分主要为材料内部残存的部分溶剂；从350 ℃到600 ℃，材料失重比例急剧增加，失重率达到58.45%，这是由于PTA和有机配体等的热解 ^［17］，在600 ℃以后，材料中的PTA和有机配体等基本碳化完全，形成了稳定的碳层结构，而纳米金属的形态稳定，因此残余质量基本不变。

图4为各碳材料的Raman光谱。Raman光谱中D峰（273.10 cm^-1）强度I_D与G峰（661.20 cm^-1）强度I_G的比值可反映材料的石墨化程度，该值越低则材料的石墨化程度越高^［20］。经计算，Cu@C@CoO-400、Cu@C@CoO-500和Cu@C@CoO-600的I_D/I_G分别为1.55、1.19和1.07，说明在较高热解温度下制备的Cu@C@CoO-600石墨化程度最高。

各碳材料的XRD图谱如图5所示。其中，22°左右出现的特征峰对应为无定形碳的（002）晶面； 42.8°、50.2°和73.2°处衍射峰分别对应于Cu的（111）、（200）和（220）晶面，表明该材料中的纳米Cu为典型的面心立方结构；36.5°、43.2°、62.5°和76.5°出现的衍射分别对应于CoO的（111）、（200）、（220）和（222）晶面，表明该材料中的CoO同样为典型的面心立方结构^［21］。

以Cu@C@CoO-600为例研究了碳材料的XPS谱图，分析材料中各元素的化学环境。图6（a）为XPS总谱图，结合能在285、532、780 eV和932 eV处的分峰分别归属于C 1s、O 1s、Co 2p和Cu 2p；图6（b）为C 1s的拟合峰，其在284.3 eV和288.3 eV处的分峰分别对应于C=C和C=O键，285.5 eV处分峰对应于碳的石墨形态（HOPG）；图6（c）为O 1s的拟合峰，显示了该材料中O的3种形态，其在529.0、530.5和531.6 eV处的分峰分别归属于O—Co、O—H和O—C键；图6（d）为Co 2p的拟合峰，Co元素呈现3种价态，780.0 eV处对应Co 2p_3/2，785.5 eV处对应CoO，795.8 eV处对应Co 2p_1/2，802.0 eV处的分峰为Co的卫星峰（Sat）；图6（e）为Cu 2p的拟合峰，表明该材料中的Cu以游离态存在，在931.6、933.5、951.5 eV和953.6 eV处的分峰分别归属于CuCl（Co（NO₃）₂·6H₂O和Cu（NO₃）₂·3H₂O杂质成分中的Cl）、Cu 2p_3/2、Cu 2p₁和Cu 2p_1/2，939.9和942.9 eV处的结合能分峰归属于Cu 2p_3/2的卫星峰（Sat）。以上结果说明，Cu和Co在碳材料中是以纳米Cu及纳米CoO的形态存在。

2.2　材料的电化学性能

图7（a）为不同电极在PFS溶液中的EIS谱图，图中曲线不同的高频区圆弧半径反映了电子在该电极表面转移电阻的大小。其中，Cu@C@CoO-600/GCE的圆弧半径最小，说明其电阻最小，材料表面电子传递速率最快。这可能是由于材料中三维互连的碳壳有效促进了电子的快速迁移，且随着热解温度升高，碳层变薄，电子的迁移速率加快。图7（b）为不同电极在pH 7.0的空白PBS溶液中的CV曲线。其中，Cu@C@CoO-600/GCE的界面电容和氧化电流明显大于GCE，但小于Cu@C@CoO-400/GCE和Cu@C@CoO-500/GCE。这可能是由于在较低热解温度（400、500 ℃）下，Co被氧化的程度较低，因此在CV测试中被继续氧化而表现出较高的氧化电流。Cu@C@CoO-400和Cu@C@CoO-500较高的电容则可能源于较低温度热解导致较多的碳层残余量。尽管界面电容较大有利于电子传输，但氧化电流过大会干扰传感器对待测物的检测效果，因此，结合前文表征结果，选择Cu@C@CoO-600/GCE作为BA的电化学传感器。

2.3　BA在不同修饰电极上的电化学行为

2.3.1　CV与DPV曲线

图8为PBS溶液（pH 2.0）中不同电极对10.0 μmol/L BA的CV曲线（a）和DPV曲线（b）。图8（a）中，BA对GCE响应电流的氧化还原峰电位差ΔE为0.121 V，而Cu@C@CoO-400/GCE、Cu@C@CoO-500/GCE和Cu@C@CoO-600/GCE的ΔE分别为0.073、0.066和0.056 V，表明3个碳材料都提高了GCE表面的电子转移速率。此外，BA在Cu@C@CoO-600/GCE表面的氧化还原反应为准可逆反应，根据Laviron公式^［13］计算其反应中的电子交换数n=1，大于其他电极。这归因于较高热解温度下形成的较薄碳层可更好地充当电子传导的桥梁，而基于两种金属纳米颗粒间可能形成的局部“电容器”效应，增加了该类材料在电化学测试过程中的电子交换数量^{［16， 17］}。

图8（b）比较了DPV测试中不同电极对BA的检测效果，峰电流I_p的大小代表Cu@C@CoO-600/GCE对BA的检测效果。其中，在热解温度较低（400、500 ℃）时，由于Cu@C@CoO中的PTA及部分配体未完全碳化，影响了纳米金属对BA的亲和力，因此，Cu@C@CoO-400/GCE和Cu@C@CoO-500/GCE对BA的检测效果较差；而在热解温度较高（600 ℃）时，得益于Cu@C@CoO-600中碳层更薄且纳米金属颗粒尺寸和分布更均匀，Cu@C@CoO-600/GCE对BA表现出最好的检测效果。

2.3.2　pH环境对检测BA的影响

为探究最佳检测效果，研究了不同pH环境 （pH=2.0、2.5、3.0、3.5、4.0）对Cu@C@CoO-600/GCE检测10.0 μmol/L BA效果的影响。图9（a）为不同pH值的PBS溶液中Cu@C@CoO-600/GCE对BA检测的DPV曲线，图9（b）中反映了电流与pH值的关系。可以看出，BA对Cu@C@CoO-600/GCE的响应电流值在pH 2.0的环境中最大，说明在此pH环境中待测物的活性更强，更易被检出。此外，图9（b）还反映了BA对Cu@C@CoO-600/GCE的响应电流所对应峰电势E与pH值的关系，其拟合方程为E（V） = 0.57 +0.08 pH，说明有等量的电子和质子参与了电极表面的电化学反应^［22］。综上，选用pH 2.0的PBS溶液作为底液。

2.3.3　扫描速率对检测BA的影响

图10（a）和（b）分别为在含10.0 μmol/L BA的PBS （pH 2.0）中、不同扫描速率下，Cu@C@CoO-600/GCE的CV曲线及其线性关系曲线。图10 （a）显示，在扫描速率为从20 mV/s 增加至500 mV/s时，BA的氧化峰电流（I_pa）/还原峰电流（I_pc）随扫描速率的增大而不断增加，说明此时电化学反应主要受吸附过程影响^［22］。图10 （b）反映出BA对Cu@C@CoO-600/GCE的响应电流值与扫描速率呈良好的线性关系。

2.4　方法的标准曲线与检出限

在最优实验条件下，将Cu@C@CoO-600/GCE应用于定量分析BA。图11（a）显示，BA的氧化峰电流值随其含量的增加而不断增加；对其进行拟合分析（图11（b）），发现BA的氧化峰电流值与其浓度在0.005~10 µmol/L范围内呈良好的线性关系。根据计算：在0.005~0.5 µmol/L浓度范围内，其线性拟合方程为I_p（µA）=41.89 c （µmol/L）-0.39 （R₁²=0.99），灵敏度为590 A·（mol/L）^-1·cm^-2，检出限为1.32×10^-10 mol/L；在0.5~10 µmol/L范围内，其线性拟合方程为I_p（µA）=14.21 c （µmol/L）-21.60 （R₂²=0.99），灵敏度为200 A·（mol/L）^-1·cm^-2，检出限为0.390 nmol/L。相对于已报道的方法^［23~30］（表1），本文所构建的BA电化学传感器Cu@C@CoO-600/GCE具有灵敏度高、检出限低的优点。

2.5　方法的稳定性、重现性和抗干扰能力

研究了Cu@C@CoO-600/GCE检测10.0 μmol/L BA的稳定性和重现性。将使用过的Cu@C@CoO-600/GCE在室温下放置一周，再次用于检测BA，响应电流峰值的变化为3.70%；使用一支Cu@C@CoO-600/GCE重复测定20次，响应电流峰值的变化为3.20%。这些结果表明该传感器具有良好的稳定性和重现性。

向10.0 μmol/L BA溶液中分别加入1 000倍的K₂SO₄、NaCl、FeCl₃，发现对BA的响应电流峰值的影响均小于5%；向10.0 μmol/L BA溶液中分别加入50倍的葡萄糖，20倍的丙氨酸、赖氨酸和甘氨酸，对BA的响应电流峰值的影响均小于5%。上述结果显示该传感器具有较好的抗干扰能力。

2.6　实际样品检测

考察了Cu@C@CoO-600/GCE电化学传感器用于检测实际样品的可行性。取2 μL双黄连口服液于10 mL容量瓶中，用PBS溶液（pH 2.0）定容。由表2知，向实际样品溶液中加入标准的BA溶液后，其回收率为99.23%~101.80%，RSD均小于5%。

3　 结 语

本文采用水热法合成Cu@Co双核MOFs，再将其热解后修饰到GCE表面，构建了用于检测BA的电化学传感器。Cu@C@CoO-600中Cu和CoO纳米颗粒的尺寸及分布更均匀，碳层能更好地发挥促进电子传导的作用；纳米CoO对BA表现出较好的亲和力，纳米Cu增强了材料的导电性能。该传感器在用于BA的定量分析时，线性范围较宽且检出限优于已报道方法，同时具有较好的稳定性、重现性和抗干扰能力，在用于实际样品检测时也表现良好。

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