CN110849952A - 自支持的Co-MOF/TM纳米片阵列的制备方法、电化学生物传感器及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米新材料技术领域，具体涉及一种自支持的Co‑MOF/TM纳米片阵列的制备方法、电化学生物传感器及应用。所述制备方法的步骤为：将CoCl₂•6H₂O和TPA溶解在DMF中并搅拌，再加入乙醇和超纯水持续搅拌得混合液。之后将钛网置于混合液中进行水热反应，所得样品冷却、洗涤、干燥，可得到Co‑MOF/TM纳米片阵列。本发明制备的纳米片阵列具有电子转移速率快，导电性高，制备的电化学传感器检测限低，稳定性好，表现出优异的电化学性能。同时本发明制备方法简单，材料易于获取。

Description

自支持的Co-MOF/TM纳米片阵列的制备方法、电化学生物传感 器及应用

技术领域

本发明属于纳米新材料技术领域，具体涉及一种自支持的Co-MOF/TM纳米片阵列的制备方法、电化学生物传感器及应用。

背景技术

过氧化氢（H₂O₂）是一种重要的生物标志物，在生理过程中起着关键作用，对H₂O₂的分析和检测在临床、制药、工业和环境分析等领域都具有重要意义。在生物系统中，H₂O₂的浓度被认为是一个重要的生理参数，高水平的H₂O₂对细胞有害，可引起多种疾病。此外，H₂O₂是一系列生物过程的副产物，它在血管重建、控制生命活动、细胞增殖和凋亡等方面起着至关重要的作用。因此，监测活细胞释放的H₂O₂对生理学和病理学研究都有重要意义。据我们所知，许多用于H₂O₂检测的分析技术已被报道，如荧光、比色、高效液相色谱、滴定法、化学发光、细胞成像和电化学传感器。与其他方法相比，电化学技术因其良好的灵敏度和选择性、易于操作和成本低廉的优势而受到更多的关注。

由于酶基H₂O₂电化学传感器易因环境变化而影响电化学活性，且考虑到成本效益，建立基于非贵金属的非酶电化学传感器吸引了越来越多的研究兴趣。一般来说，电子转移速率将会影响催化的活性，因此调节材料的结构可以提高电化学性能。MOFs作为一种新型功能材料，因其多孔结构和高比表面积等独特的结构特性，在气体、发光和传感等领域受到广泛关注。虽然MOFs材料成本低廉且传感性能优异，但其导电性和催化活性较低，在电化学传感方面还存在诸多问题。因此希望提出一种基于MOF的高性能传感器用于H₂O₂的检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种自支持的Co-MOF/TM纳米片阵列的制备方法，所述纳米片阵列具有电子转移速率快，导电性高，稳定性好，选择性高等优点，具有优异的电化学性能；本发明同时还提供一种所述Co-MOF/TM纳米片阵列的应用，制备快速检测H₂O₂的电化学生物传感器，对过氧化氢的检测选择性好，检测限低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种自支持的Co-MOF/TM纳米片阵列的制备方法，其特征在于，采用以下步骤：

（1）钛网预处理；

（2）将CoCl₂•6H₂O和TPA溶解在DMF中并搅拌，再加入乙醇和去离子水持续搅拌均匀得混合液；

（3）将步骤（1）中预处理后的钛网和步骤（2）制得的混合液反应，将所得样品冷却、洗涤、干燥，得到Co-MOF/TM纳米片阵列。

进一步地，步骤（1）所述的钛网的规格为2 cm × 4 cm；所述预处理条件为置于浓盐酸溶液中加热煮沸6 min，然后超声清洗。

进一步地，步骤（2）所述的CoCl₂•6H₂O和TPA的质量比为0.20-0.25: 0.15-0.18 ;所述的CoCl₂•6H₂O 和DMF的质量体积比为(0.20-0.25)g: (30-40)ml; 所述的乙醇和去离子水的体积比为2-3: 2-3 ; 所述搅拌时长为分别为10-30 min。

进一步地，步骤（3）中反应条件为125 °C下保温12 h，干燥条件为60℃空气中干燥6 h。

进一步地，步骤（3）所述的洗涤为分别用去离子水和乙醇洗涤。

一种电化学生物传感器，包括和电化学工作站连接的工作电极、参比电极、对电极，在工作电极上修饰有上述制备方法所制得的Co-MOF/TM纳米片阵列。

进一步地，所述电化学生物传感器应用于对体内外超痕量H₂O₂的灵敏检测。

上述电化学生物传感器的应用，采用以下步骤进行检测：

（1）将电极Co-MOF/TM固定，用PBS缓冲溶液冲洗，静置，用N₂吹干；

（2）将制备的传感器在含有H₂O₂的缓冲液中，稳定3 s ,然后测量，根据电化学生物传感器电流信号变化对H₂O₂进行检测。

进一步地，所述PBS缓冲液的浓度为0.1 M。

有益效果

（1）本发明制备的自支持的Co-MOF/TM纳米片阵列具有电子转移速率快，导电性高，选择性高，检测限低等优点，具有优异的电化学性能；

（2）本发明所制备的新型的用于快速检测H₂O₂的电化学生物传感器，对H₂O₂的检测稳定性好，检测限低，检测限为0.25 μM (S/N= 3)。

总之，基于使用Co-MOF/TM纳米片阵列设计了用于监测H₂O₂浓度的简单电化学传感分析平台；实验证实构建的电化学生物传感器平台简单且经济，并且对于H₂O₂检测具有高灵敏度和，选择性，这项工作为非酶电化学生物传感器的设计提供了重要的指导。

附图说明

图1、（a）Co-MOF粉末样品的傅里叶红外光谱（FT-IR）；（b）实施例1中制备的Co-MOF/TM的扫描电镜图（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）；（c）实施例1制备的Co-MOF/TM的X射线光电子能谱分析图（XPS）；（d）Co 2p区域的高分辨率XPS光谱；

图2、电化学生物传感器中，（a）在0.1 M PBS缓冲液中的电流响应：（1）Bare TM ，（2）Bare TM、1 mM H2O2，（3）Co-MOF/TM，（4）Co-MOF/TM、1 mM H2O2；（b）Co-MOF/TM在不同H₂O₂浓度下的循环伏安图；（c）Co-MOF/TM在不同扫描速率下的循环伏安图；（d）扫描速率与氧化还原电流的线性关系。

图3、实施例1制备的电化学生物传感器用于检测不同浓度的H₂O₂的电流响应（a），和与之相对应的线性曲线（b）；

图4、实施例1制备的电化学生物传感器用于检测H₂O₂选择性（a）；进行A549细胞释放H₂O₂测定证明Co-MOF/TM电极的实用性（b）。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

将0.238 g CoCl₂•6 H₂O 和 0.166 g TPA溶解在33 ml DMF中并搅拌10分钟。再加入2.5 ml乙醇和2.5 ml去离子水搅拌25分钟。将上述混合物转移到50ml高压釜中，并将清洁的钛网（TM）置于其中。反应在125℃下进行12小时。最后，将所得样品自然冷却，用去离子水和乙醇洗涤3次，并60 ℃空气中干燥6 h，得到Co-MOF/TM。

实施例2

将0.25 g CoCl₂•6 H₂O 和 0.18 g TPA溶解在40 ml DMF中并搅拌10分钟。再加入3ml乙醇和3 ml去离子水搅拌30分钟。将上述混合物转移到50ml高压釜中，并将清洁的钛网（TM）置于其中。反应在125℃下进行12小时。最后，将所得样品自然冷却，用去离子水和乙醇洗涤3次，并60 ℃空气中干燥6 h，得到Co-MOF/TM

实施例3

将0.20 g CoCl₂•6 H₂O 和 0.15 g TPA溶解在30 ml DMF中并搅拌10分钟。再加入2ml乙醇和2 ml去离子水搅拌20分钟。将上述混合物转移到50ml高压釜中，并将清洁的钛网（TM）置于其中。反应在125℃下进行12小时。最后，将所得样品自然冷却，用去离子水和乙醇洗涤3次，并60 ℃空气中干燥6 h，得到Co-MOF/TM

电化学生物传感器

本发明所述的电化学生物传感器，包括和电化学工作站连接的工作电极、参比电极（Ag|AgCl|Cl^-）、对电极（石墨电极），工作电极为钛网（TM），在工作电极为钛网（TM）上修饰有实施例制备的Co-MOF/TM纳米片阵列，TM在修饰之前，在超纯水中超声清洗15 min， TM电极的面积为2 cm × 4 cm。

实施例1所述的电化学生物传感器在TM工作电极上直接水热生成Co-MOF纳米片阵列。

（1）将电极Co-MOF/TM固定，用PBS缓冲溶液冲洗，静置，用N₂吹干；

（2）将制备的传感器在含有H₂O₂的缓冲液中，稳定3 s，然后测量，根据电化学生物传感器电流信号变化对H₂O₂进行检测。

如图1所示，分别通过FT-IR、SEM和XPS图像研究了Co-MOF/TM的形态。图1a显示Co-MOF粉末样品的FT-IR光谱图。在3594 cm^-1处的谱带归属于O-H基团的拉伸振动，在1143、1090、1004和810 cm^-1处的谱带归属于对位芳香族的C-H伸缩振动。在1577和1356 cm^-1处的两个谱带分别归属于v_as(-COO-)和v_s(-COO-)，这与之前的报道一致，证实Co-MOF成功合成。图1b为Co-MOF/TM的SEM图像，其显示出裸TM被纳米片阵列完全覆盖。Co-MOF/TM的EDS分析也证实了产物中Co、C、O元素的存在。图1c显示了Co-MOF/TM的XPS光谱，进一步表明存在Co、C和O元素。 Co 2p的高分辨率XPS光谱如图1d所示。以797.5和786.2 eV处的结合能为中心的两个峰分别对应于Co 2p的Co 2p_1/2和Co 2p_3/2。此外，图1d显示了Co 2p区域，在峰值786.8 eV和804.1 eV处出现卫星峰。XPS结果与SEM分析一致，进一步证实了Co-MOF/TM的成功制备。

如图2所示，为了研究材料的电化学催化活性，采用标准的三电极体系在0.1 MPBS中进行了电化学的测试。图2a是不同电极的循环伏安曲线，从图中可以看出Co-MOF/TM表现出极为优秀的催化活性，而TM的催化活性较差。图2b显示的是Co-MOF/TM在不同浓度下的循环伏安曲线，证实该电极可用于H₂O₂的检测。图2c是Co-MOF/TM在不同扫描速率下的循环伏安曲线。如图2d所示，电流响应与扫描速率之间呈现较好的相关性，表明H₂O₂在电极表面的还原是一个表面控制过程。

如图3所示，向缓冲液中持续添加H₂O₂，得到传感器对H₂O₂浓度的计时电流曲线，可以看出，浓度与电流响应在1× 10^-3 -13 mM之间呈现较好的相关性，在S/N =3时检测下限为0.25 μM。

对于新制备的传感体系，需要在分析实际样品时对目标分析物具有良好的选择性，为了验证本发明制备的电化学生物传感器对H₂O₂检测的特异性，我们使用其他电活性物质和一些潜在的干扰来评估选择性，包括尿酸(UA), 多巴胺 (DA)，抗坏血酸 (AA) 和盐类（NaCl）。在相同的条件下，通过比较电流响应的变化测试该传感器对H₂O₂的选择性。由图4a可以看出，与其他几种干扰物相比，H₂O₂具有最显著的电流响应，这表明该生物检测的选择性良好，具有高度特异可用于实际样本的检测。

为了进一步证明实用性，对细胞实时释放H₂O₂的含量进行测定。结果表明，伴随刺激剂的加入，可观察到显著的电流响应，并证明了该电流变化由细胞释放的H₂O₂在电极表面还原引起。因此所构建的生物传感器具有体内痕量H₂O₂定量测量潜力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.自支持的Co-MOF/TM纳米片阵列的制备方法，其特征在于，采用以下步骤：

（1）钛网预处理；

（2）将CoCl₂•6H₂O和TPA溶解在DMF中并搅拌，再加入乙醇和去离子水搅拌均匀得混合液；

（3）将步骤（1）中预处理后的钛网和步骤（2）制得的混合液反应，将所得样品冷却、洗涤、干燥，得到Co-MOF/TM纳米片阵列。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的钛网的规格为2 cm ×4 cm；所述预处理条件为置于浓盐酸溶液中加热煮沸6 min，然后超声清洗。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的CoCl₂•6H₂O和TPA的质量比为0.20-0.25: 0.15-0.18；所述的CoCl₂•6H₂O 和DMF的质量体积比为(0.20-0.25)g:(30-40)ml；所述的CoCl₂•6H₂O和乙醇和去离子水的质量体积比均为(0.20-0.25)g: (2-3)ml; 所述搅拌时长为分别为10-30 min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中反应条件为125 °C下保温12 h，干燥条件为60℃空气中干燥6 h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的洗涤为分别用去离子水和乙醇洗涤。

6.一种电化学生物传感器，包括和电化学工作站连接的工作电极、参比电极、对电极，其特征在于，工作电极为权利要求1-5所制得的Co-MOF/TM纳米片阵列。

7.一种权利要求6所述的电化学生物传感器的应用，其特征在于，所述电化学生物传感器应用于对体内外超痕量H₂O₂的灵敏检测。

8.根据权利要求7所述的电化学生物传感器的应用，其特征在于，采用以下步骤进行检测：

（1）将电极Co-MOF/TM固定，用PBS缓冲溶液冲洗，静置，用N₂吹干；

（2）将制备的传感器在含有H₂O₂的缓冲液中，稳定3 s，然后测量，根据电化学生物传感器电流信号变化对H₂O₂进行检测。

9.根据权利要求8所述的光电化学生物传感器的应用，其特征在于，所述PBS缓冲液的浓度为0.1 M。

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