基于ZIFs的新型電化學傳感器及對尿酸和L-色氨酸的測定*

李改花,劉 爽，張 寧,李港園

(唐山師范學院，唐山市綠色專用化學品重點實驗室，河北 唐山 063000)

沸石咪唑框架(Zeolitic Imidazolate Frameworks，ZIFs) 是由金屬離子與咪唑類配體通過配位作用形成的四配位多孔晶體材料，具有與方鈉石(SOD)類似的拓撲結構[1]。由于其具有優異的化學穩定性、熱穩定性和可調節性受到了科研工作者的廣泛關注，在催化[2]、氣體的吸附和儲存、電、光傳感器[3-4]等各個領域得到拓展和應用。尤其是ZIFs材料的多孔結構且具有較大的表面積和裸露的骨架結構，可以為電化學傳感的檢測提供了優良的的基底材料。

L-色氨酸又名α-氨基吲哚基丙酸，是人體必需的 8 種必需氨基酸之一，只能通過食物來攝取，人體日常飲食中缺乏L-色氨酸 會出現與蛋白質缺乏癥類似的癥狀。此外，L-色氨酸能促進大腦神經細胞分泌神經遞質五羥色胺，可緩解人體緊張情緒，改善人體睡眠。目前測定色氨酸的方法有很多，如流動注射、高效液相色譜法[5-6]、分光光度法[7]、電化學法[8]。考慮到設備昂貴、和分析成本操作步驟繁瑣等因素，建立一種簡單、速度快、準確度比較高的檢測色氨酸含量的方法，顯得尤為重要。電化學分析方法特別是修飾電極法已成為各國電化學分析工作者研究的重點[9]。 尿酸是嘌呤代謝的最終產物，它是一種含有碳、氮、氧、氫的雜環化合物，由人體的肝臟、骨髓、肌肉等產生。尿酸微溶于水，易形成晶體。正常人體尿液中產物主要為尿素，含少量尿酸。人體尿酸過高或過低會導致痛風、腫瘤的發生，所以說尿酸是人體必不可少的物質。尿酸在人體內起到了強有力的的抗氧化作用，人類體內的尿酸濃度相當于其他哺乳動物的10倍之多，這就是人類的壽命比較長的原因[10]。近些年來，尿酸作為有機物越來越多的被應用到電化學分析上。

本實驗用室溫攪拌法合成了穩定性高的ZIF-9，首次作為電化學傳感器基底材料應用于電化學傳感器的制備，采用循環伏安法分別對L-色氨酸和尿酸兩種生物小分子進行了檢測并取得了良好的實驗結果。

1 實 驗

1.1 材料與試劑

苯并咪唑、L-色氨酸、尿酸 上海化學工業園林(麥克林)；乙酸鈷、明膠 天津市大茂化學試劑廠；無水乙醇、硫酸 天津市富宇精細化工有限公司；氨水(25%) 天津市致遠化學試劑有限公司；硝酸 天津化學試劑五廠；六氰合鐵酸鉀 國藥集團化學試劑有限公司；其余所用試劑均為分析純；實驗用水均為超水。

1.2 儀器與設備

TGA-4000熱失重分析儀,上海鉑金埃爾默儀器有限公司；LK2005電化學分析儀,天津市蘭力科化學電子高技術有限公司； D/Max-2500 X 射線衍射儀。

1.2.1 ZIF-9的合成

稱取7.6 g無水乙醇、0.12 g苯并咪唑加入到100 mL圓底燒瓶中，用膠頭滴管吸取2 d 25%的氨水加入，常溫磁力攪拌 15 min；之后放入0.12 g的乙酸鈷晶體繼續攪拌4 h，得到紫色渾濁溶液，放入離心機中離心三次，每次3 min，轉速為 3000 r/min，得到紫色沉淀；對沉淀進行減壓抽濾并用無水乙醇清洗三次，得到紫色樣品，靜置24 h，自然晾干，得到紫色粉末。

1.2.2 明膠儲備液的制備及與ZIF-9的融合

將2.5 g明膠(gelatin)溶解在100 g去離子水中，加熱到 50 ℃，磁力攪拌2 h后立刻用漏斗趁熱過濾，除去不溶性雜質，室溫冷卻；稱取0.025 g的ZIF-9粉末溶解于10 mL明膠放入錐形瓶中，超聲分散2 h，然后室溫靜置12 h，制得修飾膜溶液。

1.2.3 檢測生物小分子

設置掃描參數：電流極性為氧化，掃描速度為0.1 V/s，掃描范圍設為-1.0～1.0 V，按照L-色氨酸溶液的濃度從低到高的順序依次進行循環伏安測試；去離子水沖洗三種電極，按照測試L-色氨酸溶液的步驟測試不同濃度的尿酸小分子溶液。

2 結果與討論

2.1 ZIF-9的表征分析

ZIF-9是由金屬Co2+與苯并咪唑配體通過配位作用形成的四配位的晶體材料。對ZIF-9進行了用FT-IR表征，447.23 cm-1處的特征吸收峰為Co-N伸縮振動峰，說明苯并咪唑中的N原子已經與乙酸鈷中的Co原子已成鍵；511.37 cm-1處的吸收峰為 C=N 的伸縮振動峰；1334.32 cm-1附近的特征吸收峰為C-N的伸縮振動峰；1447.56 cm-1處的吸收峰為苯環上C=C伸縮振動峰；在3343.52 cm-1附近出現強而寬的峰，是O-H的伸縮振動的特征吸收峰，出峰位置與報道文獻一致[11]。合成產品衍射峰與ZIF-9單晶數據模擬的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。從熱重曲線可以看出，合成的ZIF-9材料在320 ℃時發生分解，表明ZIF-9的耐熱性強，框架結構穩定至320 ℃左右，熱穩定性較好，遠遠大于原材料苯并咪唑和乙酸鈷的穩定性。

圖1 ZIF-9的配位環境(A)、紅外光譜圖譜(B)、XRD(C)、熱重圖譜(D)Fig.1 (A)Coordinated environment; (B)FT-IR; (C) XRD; (D) TG of ZIF-9

2.2 緩沖溶液不同掃速的循環伏安圖

三電極電解池在0.2 mol/L的NaH2PO4-Na2HPO4的緩沖溶液(pH=6.86)中按照上述參數進行不同掃速條件下的循環伏安掃描。由圖2(a)發現：隨著掃速的增大，氧化峰的電位向正向移動，還原峰的電位向負向移動，且電流峰的數值也隨掃速的增大而增大。根據氧化還原峰電流(ip)與掃速的平方根(ν1/2)的關系圖可以看出，峰電流和掃速的平方根存在線性關系，這說明ZIF-9與玻碳電極之間的電子傳導受擴散過程的影響[12]。

圖2 ZIF-9/gelatin/GCE在緩沖溶液中不同掃速的CV圖(a)、峰電流(ip)與掃速的平方根(ν1/2)的關系圖(b)Fig.2 CV diagram of ZIF-9/gelatin/GCE in buffer solution with different scanning speed(a); Diagram of ip and ν1/2 (b)

2.3 ZIF-9/gelatin/GCE對尿酸的檢測

通過循環伏安法依次對不同濃度尿酸進行了檢測。在Epa= 0.47 V處出現了明顯的氧化峰，并且氧化峰的電流(ipa)隨著尿酸溶液濃度的增加而呈現遞增的趨勢；在-0.66 V處可以看到ZIF-9/gelatin/GCE明顯的還原峰電位隨著溶液濃度的變化不顯著，且峰電流隨著尿酸濃度的增大基本保持不變，進一步表明了ZIF-9作為電極修飾材料的穩定性。以峰電流(ip)與尿酸溶液濃度(cUA)作圖，線性方程為ip=45.121CUA(mmol·L-1)+2.135，R2=0.996，信噪比等于3時，尿酸的檢出限為6.0×10-5mmol·L-1,如圖3(b)所示。

圖3 ZIF-9/gelatin/GCE在緩沖溶液中加入不同濃度的尿酸的CV圖(a)、峰電流(ip)與尿Fig.3 CV diagram of ZIF-9/gelatin/GCE in buffer solution with different concentration of uric acid(a); Diagram of ip and concentration of uric acid(b)

2.4 ZIF-9/gelatin/GCE對L-色氨酸的檢測

通過循環伏安法依次對不同濃度的L-色氨酸進行了檢測。隨著L-色氨酸溶液濃度的加大，在Epa=0.84 V處，峰電流隨濃度呈現遞增的趨勢，從CV譜圖上可知，與檢測尿酸分子相比，L-色氨酸的出峰位置偏向更正的電位，所以，L-色氨酸的檢測需要更大的電位。以峰電流(ip)與L-色氨酸濃度(cL-Trp)作圖(圖6B)，線性方程為ip=47.408 CL-Trp(mmol·L-1)+0.910，R2=0.995，信噪比等于3時，檢出限為2.0×10-5mol/L。

圖4 ZIF-9/gelatin/GCE在緩沖溶液中加入不同濃度的L-色氨酸的CV圖(a)、峰電流(ip)與L-色氨酸濃度的關系圖(b)Fig.4 CV diagram of ZIF-19/gelatin/GCE in buffer solution with different concentration of L-tryptophan(a); Diagram of ip and concentration of L-tryptophan(b)

2.5 ZIF-9/gelatin/GCE對尿酸和L-色氨酸的同時測定

分別移取不同濃度的尿酸和L-色氨酸溶液，混合均勻，在pH=6.86的條件下，利用CV法測定混合溶液的氧化峰電流。結果表明，隨著濃度的增大，相應的氧化峰電流也逐漸增大。尿酸和L-色氨酸在修飾電極上氧化峰電位相差443 mV，實現了尿酸和L-色氨酸的選擇性測定。

圖5 ZIF-9/gelatin/GCE在含有不同濃度尿酸和 L-色氨酸溶液中的CV圖(濃度：0.03，0.06，0.09， 0.12，0.15 mM)Fig.5 CV diagram of ZIF-19/gelatin/GCE in buffer solution with different concentration of uric acid and L-tryptophan

3 結 論

采用室溫磁力攪拌法合成了ZIF-9，方法簡單、快速。首次考察了作為電極修飾材料的可行性。經過預處理后用其來修飾玻碳電極，在最優的實驗條件下對不同濃度的生物小分子溶液進行循環伏安特性曲線分析。結果表明，ZIF-9作為電極修飾材料對尿酸和L-色氨酸有良好的電化學響應。尿酸濃度在0.25～1.5 mmol/L范圍內呈現良好的線性關系，檢出限為6.0×10-5mol/L；L-色氨酸濃度在0.1～0.5 mmol/L范圍內呈現良好的線性關系，檢出限為2.0×10-5mol/L。同時對兩種分子進行了同步檢測，尿酸和L-色氨酸在ZIF-9修飾電極上氧化峰電位相差443 mV，實現了尿酸和L-色氨酸的選擇性測定。