石墨烯/MOFs復合材料在電化學生物傳感器中的研究與應用*

雷新有， 左國防， 王 鵬， 李志鋒

(1.甘肅省高校新型分子材料設計與功能省級重點實驗室,甘肅 天水 741000; 2.天水師范學院 化學工程與技術學院,甘肅 天水 741000)

0 引 言

金屬有機骨架(metal-organic frameworks，MOFs)材料又稱為多孔配位聚合物(porous coordination polymer，PCP)，是一類具有多樣拓撲結構的有機—無機雜化晶體材料[1]，由金屬離子或離子簇與有機配體通過化學鍵合作用自組裝形成，可以描述為金屬節點單元和有機連接基團構筑的周期性的網絡結構材料。金屬構筑單元，包含無機金屬節點的自組裝，即金屬離子/離子簇；有機連接基團主要由羧酸鹽、N—電子給予基團和膦酸鹽的不同構型組成。由于無機金屬節點和有機連接基團構型變化的多樣性，到目前為止，報道的MOFs結構超過20 000多個[2]。具有代表性的MOFs結構,包括有IRMOF—16(MOFs—16)、AgFe—混合金屬MOFs、ZIF—8 MOFs和Zn—肌肽MOFs。

MOFs的合成和應用始于20世紀90年代初[3]，傳統MOFs存在力學性能低、化學穩定性差、結構易受環境中水、氧氣或溶劑影響而發生坍塌等缺陷，與熱穩定性高的沸石等材料相比，大多數MOFs在高溫條件下均會發生分解。這些缺點限制了MOFs在某些領域中的實際應用。

為了解決傳統MOFs存在的缺陷，進一步提高其性能和應用。近年來，研究者將MOFs與一系列功能材料結合構建了新型復合材料，如MOFs/金屬氧化物納米粒子(NPs)、MOFs/聚合物、MOFs/酶、MOFs/量子點(QDs)、MOFs/多金屬氧酸鹽(POMS)、MOFs/生物分子以及MOFs/碳納米材料等復合結構[4]。復合材料不僅可以克服MOFs的固有缺陷, 而且還可以將其比表面積大與孔隙率高的特性與其他功能材料的優良性能結合起來，通過調控復合材料的綜合性能以滿足各種不同的需求，產生單一材料所不具有的新功能，這已成為現代化學與材料科學研究的前沿領域之一[5,6]。

本文以MOFs與石墨烯及其衍生物為研究對象，介紹了石墨烯/復合材料在電化學生物傳感領域中的最新研究成果。同時，探討了復合材料在電化學生物傳感應用中存在的問題，并對復合材料的研究和應用前景進行了展望。

1 石墨烯/MOFs復合材料電化學生物傳感器

石墨烯是一種具有良好特性的碳基納米材料，具有較高的導電性和電催化活性等諸多優點。石墨烯的sp2雜化二維結構、高的比表面積和含氧官能團可以很方便地與金屬納米材料相結合。石墨烯及其衍生物納米材料已被廣泛應用于電化學分析[7～14]。表1列舉了部分最新石墨烯/MOFs復合材料電化學生物傳感器在靈敏檢測實際工作中的應用。

表1 MOFs/石墨烯復合材料電化學生物傳感器

1.1 基于原位合成的石墨烯/MOFs復合材料電化學生物傳感器

研究表明，石墨烯在復合材料中發揮了導電橋的作用，使電子傳遞速率增加[15]。例如，研究者[16]將合成的鎳鈷(NiCo)層狀雙氫氧化物(LDH)納米片石墨烯納米帶(graphene nanoribbons,GNRs)修飾于玻碳電極(glassy carbon electrode,GCE)上，用于非酶葡萄糖檢測。制備過程分為兩個階段，首先，以ZIF—67十二面體納米晶MOFs為犧牲模板，制備了生長較低的NiCo—LDH納米片。隨后，為了獲得機械穩定性良好的修飾電極，將所制得的納米片與碳納米管縱向展開制備的GNRs混合。循環伏安(cyclic voltammetry,CV)法檢測了所研制的修飾電極對葡萄糖的傳感性能，得到了快速、靈敏的葡萄糖傳感器，其線性檢測范圍為5 μmol/L～0.8 mmol/L，檢測限為0.6 μmol/L，靈敏度為344 μA·(mmol·L)-1·cm-2。此外，還發現NiCo-LDH/GNRs修飾電極對抗壞血酸(AA)、多巴胺(UA)和尿酸(DA)等分析物也具有較好的檢測選擇性。

采用原位合成方法，Ye Z等人[18]在RGO上成功合成了一種新型的夾心MOF(表示為M@Pt@M-RGO)結構，并顯示出優異的電化學性質。M@Pt@M-RGO新型電化學生物傳感器成功地應用于對苯二酚(HQ)、鄰苯二酚(CT)和間苯二酚(RS)三個異構體的靈敏度檢測，線性檢測范圍分別為0.05～200 μmol/L，0.1～160 μmol/L和0.4～300 μmol/L。檢測限分別為0.015，0.032，0.133 μmol/L(S/N=3)。此外，該電化學傳感器具有優異的抗干擾能力、良好的穩定性、再現性和回收率，可用于河流和湖水中的三種異構體的檢測。

Zhang Y X等人[19]報道了在堿性介質中，通過在石墨烯膜上原位生長Ni2P納米粒子來實現非酶葡萄糖傳感器的高性能電催化。高活性Ni2P與穩定的石墨烯膜相結合，提高了電子轉移速率和穩定性，對葡萄糖檢測顯示出良好的電催化活性。以Ni—MOF—74為前驅體，金屬分布均勻，活性中心大量暴露，空間結構有序(圖1)。利用Ni2P顆粒與石墨烯的協同反應，該復合材料具有較高的電催化活性和對葡萄糖電氧化的特異性。在優化的實驗條件下，在葡萄糖5 μmol/L～1.4 mmol/L范圍內得到了較寬的線性響應，檢出限為0.44 mol/L。Ni2P/G修飾電極在葡萄糖濃度為1～8 mmol/L的人血清中也得到了良好的線性響應(R2=0.989 7)，表明Ni2P/G平臺可用于實際樣品中葡萄糖的檢測。

圖1 Ni2P/石墨烯MOFs復合材料制備示意[19]

為了克服MOFs的電導率差，電催化性能低等缺陷。Chen X R等人[20]在室溫下，在物理剝落的石墨烯納米片(GSs)兩側原位負載了多面體Co基咪唑沸石骨架[Co(mim)2]n(表示為ZIF—67，mim=2—甲基咪唑)，得到了具有有序納米結構的三明治狀GS@ZIF—67復合材料。與各單一組分相比，合成的GS@ZIF—67復合材料對葡萄糖氧化顯示出更高的電催化活性。此外，與GSs和ZIF—67的物理混合物相比，分層納米復合材料具有更好的電催化性能，進一步證明了ZIF—67與GSs的協同效應。該復合材料修飾電極是一種高靈敏度的非酶葡萄糖電化學生物傳感器，線性檢測范圍為1～805.5 μmol/L，靈敏度為1 521.1 μA·(mmol/L)-1cm-2，檢出限為0.36 μmol/L(S/N=3)，穩定性和選擇性好。該傳感器也成功地應用于人體血清中葡萄糖的測定，取得了滿意的結果，為實際樣品中葡萄糖的檢測提供了廣闊的前景。

開發合適的基底材料對于構建快速可靠的電化學生物傳感器具有重要意義。在實際應用中，負電位小的生物傳感器具有選擇性、靈敏度高的優點。Peng B G等人[21]通過MOF與氧化石墨烯(gaphite oxide,GO)的熱解，合成了CeO2-x/C/RGO納米復合材料。CeO2-x/C/RGO納米復合材料由于Ce3與RGO共存，對H2O2顯示出優異的催化性能，是一種低工作電位的尿酸酶催化中間體。基于CeO2-x/C/RGO納米復合材料的新型生物傳感器，可應用于生物和醫學領域中重要分子UA的檢測。該納米復合材料生物傳感器在-0.4 V(vs SCE)下對UA的靈敏度為284.5 μA·cm-2·(mmol/L)-1，線性檢測范圍為49.8～1 050.0 μmol/L，檢出限為2.0 μmol/L，且檢測不受AA和尿素的干擾，具有很大的實用價值。

1.2 基于電化學改性的石墨烯/MOFs復合材料電化學生物傳感器

Tu X L等人[22]采用一種簡單、綠色的方法合成了一種新型的GO包覆Ce-MOFs(ERGO@Ce-MOFs)復合材料。首先在玻碳電極上分別注入Ce-MOFs和GO，然后通過電化學還原策略將GO還原成ERGO。ERGO@Ce-MOFs具有封裝結構，可以防止MOFs在溶液中的分解，有效地提高了Ce-MOFs的穩定性。ERGO與Ce-MOFs的結合也顯著提高了復合材料的導電性。以ERGO@Ce-MOFs復合材料作為電極材料，對合成農藥的鹵化酚類中間體二氯酚(DCP)進行的檢測表明，Ce-MOFs與ERGO的協同效應顯示出ERGO@Ce-MOFs對DCP的寬線性檢測范圍(0.2～10 μmol/L)，最低檢出限為0.007 μmol/L(S/N=3)。此外，ERGO@Ce-MOFs電極也顯示出良好的重現性和選擇性。將該復合材料應用于實際樣品中DCP的檢測，結果令人滿意。

Chen Q等人[23]采用溶劑熱法制備了銅基MOFs—199與GO的納米復合材料(MOFs—GO)，通過在玻碳電極上電沉積MOFs—GO復合材料，電化學還原改性進一步將MOFs—GO轉化為MOFs—ERGO，得到CT和HQ的電化學生物傳感器。采用DPV法研究了修飾電極的電化學性能，以及CT和HQ在修飾電極上的氧化行為。在優化的實驗條件下，CT和HQ的線性檢測范圍分別為0.1～566 μmol/L (R2=0.997)和0.1～476 μmol/L(R2=0.999)，最低檢出限為0.1 μmol/L(S/N=3)。實驗結果表明，該修飾電極易于控制，具有良好的穩定性。通過對CT和HQ實際樣品檢測結果進行的驗證，也取得了滿意的結果。

Ma B L等人[24]制備了HKUST—1(MOFs)和ERGO納米復合材料，進一步電化學還原將MOFs/GO轉化為MOFs/ERGO,并將其應用于一步電沉積同時測定撲熱息痛和DA的電化學生物傳感。MOFs/ERGO復合材料對撲熱息痛和DA具有良好的電化學催化活性，這是由于MOFs的大比表面積、孔隙率和高電分解活性以及ERGO導電性的協同效應所致。該修飾電極線性范圍寬(對乙酰氨基酚0.2～160 μmol/L，DA 0.2～300 μmol/L)，檢出限低(對乙酰氨基酚0.016 μmol/L，DA 0.013 μmol/L)。同時，該傳感器也顯示出較高的靈敏度、良好的選擇性和良好的穩定性。

雙酚A(BPA)作為一種典型的內分泌干擾物，其敏感檢測尤為重要，近年來引起研究者廣泛的關注。Li C M等人[25]采用Cu-MOFs結合GO,進而電化學還原制備了一種靈敏的雙酚A電化學傳感器。與Cu-MOFs-或ERGO修飾電極相比，Cu-MOFs/ERGO修飾電極對BPA的電催化活性明顯提高。在優化實驗條件下，所制備的修飾電極線性檢測范圍為0.02～90 nmol/L，檢測限為6.7 nmol/L(S/N=3)。這種良好的靈敏性可歸因于Cu-MOFs的高吸附和高催化能力，以及ERGO優異的導電性能所產生的協同效應。此外，Cu-MOFs/ERGO修飾電極具有較高的穩定性和抗干擾能力，已成功應用于塑料制品中雙酚A的測定，為雙酚A造成的緊急污染提供了一種有前途和可靠的快速分析方法。

Wang Y等人[26]在GCE上電沉積Cu(Ⅱ)—1,3,5—苯三甲酸(Cu-BTC)MOFs,進一步電化學還原得到(Cu-BTC)MOF/ERGO/GCE。修飾后的GCE用于2,4,6—三硝基苯酚(TNP)的高靈敏電化學生物檢測。用掃描電鏡和電化學阻抗譜對修飾電極的制備過程進行了表征。微分脈沖伏安(differential pulse voltammetry,DPV)研究表明，Cu-BTC/ERGO/GCE比單純的Cu-BTC/GCE或ERGO/GCE顯示出更強的TNP還原信號。DPV顯示了TNP有三個還原峰，第一個峰的電位為-0.42 V(vs SCE)。選擇這種電位，是因為其他三種結構類似的化合物(2—硝基苯酚、4—硝基苯酚、2,4—二硝基苯酚)沒有在此電位處產生信號。在0.2～10 μmol/L TNP濃度范圍內呈線性關系，最佳實驗條件下，最低檢出限為0.1 μmol/L(S/N=3)，靈敏度為15.98 μA(μmol/L)-1cm-2。通過對自來水和湖水樣品中TNP的檢測，顯示出該傳感器良好的適用性，回收率在95 %～100 %之間。

將Cu3(btc)2(btc=1,3,5—苯三甲酸)MOFs復合材料共價固定在殼聚糖(CS)上，進一步與ERGO混合膜修飾電極,如圖2所示。

圖2 基于DBIs靈敏檢測的MOF/ERGO傳感器的制備及其檢測原理示意[27]

基于MOFs的修飾電極可作為電化學生物傳感平臺同時應用于二羥基苯異構體(DBIs)鄰苯二酚(CT)、間苯二酚(RS)和對苯二酚(HQ)的靈敏檢測[27]。研究結果表明，在修飾電極上，Cu3(btc)2的多孔骨架結構和ERGO高的電子電導率的協同作用，對DBIs顯示出良好的分辨能力和很強的伏安信號。DPV法測量顯示了傳感器具有寬的線性檢測范圍和低的檢測限。該傳感器也適用于實際水樣中DBIs的測定，表明了該MOFs在電化學異構體檢測應用中的巨大潛力。

研究者[28]分別采用Zr(IV)金屬—有機骨架(MOFs)、2,2—聯吡啶—5,5—二甲酸酯(UiO—67—BPY)和GO修飾玻碳電極，通過電化學還原制得了ERG—UiO—67—BPY/GCE傳感器。該復合材料修飾電極的ERG和UiO—67—BPY組分具有協同電催化作用，對去甲腎上腺素(NE)的氧化顯示出很強的伏安響應。比較研究表明，MOFs的聯吡啶基與NE的2—氨基乙醇基團之間的氫鍵作用對促進電極表面的電子轉移發揮著重要作用。該復合材料修飾電極的DPV法線性檢測范圍寬，檢出限為0.026 μmol/L，且具有良好的重現性和穩定性，可用于NE和UA的同時靈敏檢測，顯示該傳感器是一種靈敏、簡便的檢測NE的電化學傳感器。

以銅(Cu)為中心的MOFs/石墨烯復合材料可同時測定水中HQ和CT。Li J等人[29]制備了一種高靈敏、簡單的Cu-MOFs-GN/GCE電化學生物傳感器，Cu-MOFs-GO裸露在玻碳電極上，電化學還原改性將Cu-MOFs-GO轉換為Cu-MOFs-GN。CV，DPV法研究了Cu-MOFs-GN/GCE對HQ和CT的電化學響應。在優化實驗條件下，修飾電極對HQ和CT顯示出良好的電催化性能和高選擇性。電化學傳感器在1.0×10-6～1.0×10-3mol/L的相同范圍內呈現出線性關系，HQ和CT的檢測限分別為5.9×10-7mol/L和3.3×10-7mol/L(S/N=3)。該傳感器應用于4種不同濃度的HQ和CT的自來水樣品的檢測，并應用于這些異構體的分析。加標自來水，回收率為99.0 %～102.9 %，相對標準偏差(RSD，5次)小于5 %。

快速檢測微量抗生素對環境監測和生態系統至關重要。Fang X等人[30]設計了一種靈敏、選擇性的電化學傳感器，用Cu2+的陽極溶出伏安法檢測環丙沙星(Cip)。采用Zr(IV)基MOFs/NH2—UIO—66和RGO復合材料作為工作電極修飾材料，顯示出較大的比表面積和較高的導電性。由于在NH2—UiO—66/RGO修飾電極上，Cip能與Cu2+發生穩定的絡合反應，可采用陽極溶出伏安法測定Cu的沉積量。當Cip存在時，Cu2+的氧化電流由于Cu2+-Cip絡合物的形成而明顯減小。所制備的NH2-UiO-66/RGO傳感器，檢測Cip的靈敏度為10.86 μA·(μmol/L)-1，線性范圍為0.02～1 μmol/L，優于以往報道的其它電化學Cip傳感器。同時，該傳感器還顯示出較高的選擇性、重現性和穩定性。通過對實際水樣中Cip進行的檢測，表明傳感器具有較好的回收率。該傳感器靈敏度高、檢測速度快、操作方便，對水中微量抗生素污染物的實時分析和監測具有重要的應用前景。

綜上，MOFs與石墨烯納米材料的結合顯示出明顯的電導率提高、比表面積增加和結構穩定的顯著優點。特別是在電化學生物傳感平臺上，這些性能有效提高了系統的靈敏度和穩定性。

2 研究展望

石墨烯/MOFs復合材料巧妙地結合了石墨烯納米材料的特性(如電學、熱學、光學和機械特性)和MOFs 獨特的性質(如結晶有序結構、可調諧孔尺寸、大比表面積、化學可拉伸性和熱穩定性)，通過兩者所帶來的協同效應，顯著增強了電化學信號，提高了目標物檢測的靈敏性和選擇性，拓展了MOFs的應用領域，受到研究者的廣泛關注。從近年來的發展來看，石墨烯/MOFs復合材料在催化、電化學生物傳感等相關領域顯示出了良好的應用前景。但必須看到，石墨烯/MOFs復合材料在電化學生物傳感器中的應用研究尚處于初期階段，其在電化學生物傳感器中的應用仍存在一些問題：1)在復合材料制備方法上，目前的方法步驟繁瑣且僅限于實驗室合成，因此開發簡單高效的制備方法具有重要意義。2)MOFs結構需要特定的基團與目標物進行特異性結合，這就要優先考慮MOFs反應物的基團功能化，但進行功能化要求條件較多，功能化后易破壞框架結構使得MOFs在電化學傳感器中的應用受到一定的限制。3)現階段應用在電化學生物傳感領域中的MOFs結構種類較少，構建新的具有良好電化學活性、特定孔隙率的MOFs材料，仍是研究的一個重點。4)石墨烯/MOFs復合材料，目前大部分為核殼結構，需要進一步探索其他新型結構(如中空、分散等結構)，以拓展其在電化學生物傳感器中的應用。