基于2D卟啉金屬有機(jī)框架納米材料的高性能電化學(xué)傳感*

王 燕，白武雙，徐 玥

(1.西安醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，陜西 西安 710021；2.西北大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710069)

亞硝酸鹽是一種常見的食品添加劑，過量添加會嚴(yán)重影響人們身體健康[1-2]。與色譜類檢測方法相比，電化學(xué)傳感方法具有快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特點(diǎn)。構(gòu)建基于納米材料良好的催化活性、較強(qiáng)的吸附能力和較大的比表面積等特點(diǎn)的電化學(xué)傳感器展現(xiàn)出更高傳感性能[3-4]。金屬有機(jī)框架(metal organic frameworks，簡稱MOFs)納米材料因其孔隙率、內(nèi)比表面積高以及組成和結(jié)構(gòu)上的多樣性，特別是以卟啉(TCPP)為配體的MOFs材料，同時(shí)還展現(xiàn)出仿生酶的特性，給電化學(xué)傳感研究帶來新的啟發(fā)[5-7]。實(shí)驗(yàn)制備了二維卟啉金屬有機(jī)框架(2D-TCPP MOFs)納米材料，用于亞硝酸根電化學(xué)傳感器構(gòu)置，建立了檢測牛奶中亞硝酸鹽和制備該納米材料新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Co(NO3)2·6H2O、C2H5OH、NaNO2、Na2CO3、Na2SO4、KNO3、K2CO3、NaCl：天津市天力化學(xué)試劑有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；以上試劑均為分析純。

電化學(xué)工作站：CHI660A，上海辰華儀器有限公司；掃描電子顯微鏡(SEM)：JSM6700F， X射線衍射分析儀(XRD)：D/MAX-3C， X射線能譜儀(EDS)：JSM6700F，日本理學(xué)電機(jī)株式會社；透射電子顯微鏡(TEM)：G2F20S-TWIN，美國田納西FEI公司；臺式離心機(jī)：TGL-16G， 上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.2 不同形貌的Co-TCPP MOFs納米材料的制備

采用水熱法，量取DMF 3 mL、乙醇9 mL加入燒杯中混合均勻，然后稱量20 mg PVP與15 mg Co(NO3)2·6H2O溶于上述混合液。在磁力攪拌條件下把12 mg TCPP慢慢加入到混合溶液中。將上述溶液充分混勻，進(jìn)而轉(zhuǎn)移至25 mL的反應(yīng)釜中，將該反應(yīng)釜置于烘箱，80 ℃下反應(yīng)24 h，取出反應(yīng)釜，冷卻至室溫，在10 000 r/min的條件下離心洗滌，用乙醇洗滌3次，將剩余固體物質(zhì)在50 ℃條件下烘干6 h，干燥后成深棕色片狀形態(tài)。

1.3 Co-TCPP MOFs/玻碳電極(GCE)修飾電極的構(gòu)置

GCE在修飾之前，分別用1.0 μmol/L和0.3 μmol/L的氧化鋁粉拋光打磨至表面呈鏡面。隨后分別在乙醇、水中超聲徹底清潔其表面，再用蒸餾水沖洗3遍，用氮?dú)獯蹈蓚溆谩７Q取1.0 mg Co-TCPP MOFs納米材料，溶于1 mLw(殼聚糖)=5%水溶液中，并在超聲波處理?xiàng)l件下使其徹底分散。最后移取7 μL上述混合溶液，滴涂于清潔的GCE表面，室溫下自然干燥12 h，修飾電極表示為Co-TCPP/GCE。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極表面修飾物的表征

分別采用SEM和TEM對Co-TCPP微觀結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行表征，結(jié)果見圖1。

a SEM

由圖1a、1b可知，所制備的Co-TCPP材料呈現(xiàn)出2D片狀形貌，其直徑為微米級別，由圖1c可知，該材料表面較為光滑，且厚度較薄，所制備的Co-TCPP為2D薄片狀納米材料。

Co-TCPP MOFs的EDS圖見圖2a， Co-TCPP MOFs和TCPP的XRD表征結(jié)果見圖2b。

E/keVa Co-TCPP MOFs的EDS圖

通過該材料的EDS分析結(jié)果可知，所制備的納米材料包含有C、N、O、Co等元素。對比圖2b中的TCPP和Co-TCPP MOFs的表征結(jié)果可知，兩者均出現(xiàn)TCPP的特征衍射峰； TCPP的峰形比較尖銳，強(qiáng)度較大，而Co-TCPP MOFs的峰強(qiáng)度與其相比較弱，表明所制備的Co-TCPP MOFs納米材料越趨近于非晶體狀，也就是2D狀態(tài)。

綜上所述，結(jié)合SEM、TEM、EDS與XRD的表征結(jié)果可知，該實(shí)驗(yàn)成功制備了2D Co-TCPP MOFs納米材料。

2.2 Co-TCPP/GCE的電化學(xué)行為研究

分別使用裸GCE和Co-TCPP/GCE，在pH=7的磷酸鹽緩沖液(PBS)底液中加入c(NaNO2)=1 mmol/L溶液，測得前后的循環(huán)伏安(Cyclic voltammetry，簡稱CV)曲線，加入NaNO2后電極的響應(yīng)結(jié)果見圖3。

E/V(vs.SCE)a Co-TCPP/GCE加入NaNO2的CV曲線

由圖3a可知，a、b曲線分別為裸電極(GCE)對NaNO2的響應(yīng)，響應(yīng)微弱。c、d曲線為修飾電極Co-TCPP/GCE對NaNO2的響應(yīng)，響應(yīng)顯著，說明修飾材料對亞硝酸根有更好的催化氧化作用。

由圖3b可知， Co-TCPP/GCE對不同濃度亞硝酸根的CV曲線，c(PBS)=1 mol/L溶液，掃速為0.1 V/s，隨著c(NaNO2)(a→i：0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5 mmol/L)的不斷增大，Co-TCPP/GCE的氧化峰電流也不斷增大，峰電流值與c(NaNO2)的線性關(guān)系見圖3c，呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

2.3 選擇工作電位

采用計(jì)時(shí)安培法在檢測電壓為0.7～1.0 V的工作電位區(qū)域內(nèi)，對該電極對亞硝酸根的電催化氧化的影響能力進(jìn)行檢測，結(jié)果見圖4。

t/s

由圖4可知，上述CV實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，Co-TCPP/GCE催化亞硝酸根的氧化峰電位處于0.9～1.0 V，實(shí)驗(yàn)中在電位a～e為0.7、0.8、0.85、0.9、1.0 V的電壓下對電極電流(I)隨時(shí)間(t)的響應(yīng)變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即I-t曲線，當(dāng)催化電位為0.8 V時(shí)，即b曲線，得到的I-t曲線響應(yīng)平穩(wěn)，干擾較低，因此，選用0.8 V為最佳催化電位進(jìn)行后續(xù)I-t實(shí)驗(yàn)。

2.4 安培法檢測亞硝酸鹽

在工作電位為0.8 V的電壓下，采用I-t安培電流檢測法，對Co-TCPP/GCE納米材料進(jìn)行檢測濃度與電流響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖5。

t/sa Co-TCPP/GCE對不同c(亞硝酸鹽)的I-t曲線

由圖5可知，實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化后，相應(yīng)電流值呈臺階狀不斷增大，隨著c(NaNO2)的不斷增加，臺階響應(yīng)電流值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性擬合曲線見圖5b，電流在c(NaNO2)=1.0×10-3～1.388 mmol/L，其相關(guān)系數(shù)R2=0.995 6，線性方程為y=0.043 5x+0.800 9，檢出限為0.617 μmol/L，信噪比為3。

將實(shí)驗(yàn)中納米材料修飾的傳感器主要性能與其他已報(bào)道的亞硝酸鹽電化學(xué)傳感器的性能相比，結(jié)果見表1。

表1 該傳感器與文獻(xiàn)報(bào)道的亞硝酸鹽傳感器的性能比較

由表1可知，Co-TCPP/GCE納米材料修飾電極線性范圍較寬，檢出限較低。

2.5 抗干擾能力、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性測試

對Co-TCPP/GCE材料的抗干擾能力進(jìn)行測試，實(shí)際樣品檢測中， Na2CO3、Na2SO4、KNO3、K2CO3、NaCl作為常見干擾物質(zhì)，與亞硝酸鹽共存，對該傳感器檢測造成干擾[8-11]，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，在0.8 V的操作電位下向底液中加入1.0 mmol/L的NaNO2可觀察到明顯的響應(yīng)臺階，而在相隔50 s的時(shí)間依次加入1.0 mmol/L 的Na2CO3、Na2SO4、KNO3、K2CO3、NaCl后響應(yīng)電流無變化，這說明該傳感器對如上常見干擾物質(zhì)有著很好的抗干擾性能。

t/s

對傳感器的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性也進(jìn)行了研究，用5根同樣的Co-TCPP/GCE分別對等量亞硝酸鹽測定，得到的電流響應(yīng)值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)約為3%，這表明該傳感器具有較好的重現(xiàn)性。

為了研究傳感器的穩(wěn)定性，用同一根Co-TCPP/GCE修飾電極檢測亞硝酸鹽，并記錄其電流響應(yīng)值，21 d后再次測試相同濃度的亞硝酸鹽，電流響應(yīng)信號為原始電流響應(yīng)信號的90%，這表明修飾電極具有較好的穩(wěn)定性。

2.6 應(yīng)用

根據(jù)GB 5009.33—2016[12]對牛奶樣品進(jìn)行處理。將53.5 g ZnSO4·7H2O溶于水中并稀釋至100 mL。取50 mL脫脂牛奶(蒙牛牛奶：7E20190902FN09Uc)，用20 mL蒸餾水稀釋，加入不同劑量的NaNO2(20、50、100 μmol/L)，為了沉淀脫脂牛奶里的蛋白，減少檢測時(shí)蛋白質(zhì)在電極附近聚集，加入15 mL ZnSO4溶液，同時(shí)加入15 mL pH=7的PBS溶液進(jìn)行攪拌，攪拌后靜置1 h，取上層清液過濾，得到濾液待測[12]，結(jié)果見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)測定牛奶樣品中c(亞硝酸鹽)

由表2可知，其回收率為99.45%～102.6%，表明該傳感器可用于實(shí)際樣品中亞硝酸鹽的定量檢測。

3 結(jié) 論

采用水熱法制備了2D Co-TCPP MOFs納米材料，用該材料制得Co-TCPP/GCE修飾電極，構(gòu)置了一種亞硝酸鹽電化學(xué)傳感器。

通過一系列研究表明，所制備的Co-TCPP MOFs納米材料對亞硝酸鹽展現(xiàn)出良好的電化學(xué)催化特性。該傳感器檢測亞硝酸根檢出限低至0.617 μmol/L，線性范圍寬至1 μmol/L～1.388 mmol/L，并展現(xiàn)出良好的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和抗干擾能力。同時(shí)，將該電極應(yīng)用于牛奶樣品中亞硝酸鹽含量的測定，進(jìn)而建立了基于MOFs納米材料檢測食品中亞硝酸鹽的新方法，該研究為食品中亞硝酸鹽的檢測提供了新思路，同時(shí)為二維MOFs納米材料的可控制備提供借鑒。