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基于Cu-TCPP的高灵敏5—羟色胺电化学检测新方法

2024-04-13 256 上传者：管理员

摘要：以5,10,15,20—四(4—羧基苯基)卟啉(H2TCPP)为配体，Cu2+为金属中心源，通过液相剥离法制备了金属有机框架(MOFs)材料Cu-TCPP纳米片。制备Cu-TCPP纳米片修饰玻碳电极(Cu-TCPP/GCE),用于5—羟色胺(5—HT)的高灵敏检测。实验结果表明，与裸玻碳电极(GCE)相比，5—HT在Cu-TCPP/GCE上的氧化电流显著增强。通过研究其信号增强机理发现，Cu-TCPP纳米片可有效提高对5—HT的富集效率和电子转移能力。进一步对检测条件进行优化，成功建立了一种高灵敏的5—HT电化学检测新方法，线性范围为5～1 000 nmol/L,检出限为1.33 nmol/L。

关键词：
15
20—四(4—羧基苯基)卟啉
5—羟色胺
增敏机理
电化学传感器
血清素
铜—5—10
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血清素(5—羟色胺，5—HT)是体内产生的一种单胺类神经递质。快速检测血液中的5—HT可为临床诊断和治疗提供重要的依据。然而，体液中的5—HT浓度约为15 nmol/L,尿液中的5—HT浓度约为295～687 nmol/L,使得检测难度增大。因此，建立一种高灵敏的5—HT检测方法十分必要。目前对5—HT的检测有许多方法，但传统的方法操作繁琐、耗时长，需要经常样品预处理，不利于快速检测。相比之下，电化学传感器灵敏度高、线性响应效果好、稳定性好、重现性好、低成本，因此，探究用电化学传感器的方法检测5—HT的方法受到了极大关注。目前，已有一些修饰玻碳电极(glassy carbon electrode, GCE)材料被用于5—HT的电化学检测研究，如Poly-AzrS/MWCNTs/GCE[1],IL-DC-CNT/GC[2],rGO-Ag2Se/GCE[3]和Carbon spheres/GCE[4]等。但是电极修饰材料的简便性和灵敏度等方面还有待提高。

金属有机框架材料(metal organic frameworks, MOFs)是一种由有机配体和金属离子通过配位键自组装形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔杂化材料，具有比表面积大，不饱和金属位点丰富，孔径可调等特点。目前关于MOFs电化学传感的研究日益增多[5,6]。然而构建电化学传感体系的MOFs敏感材料主要为块体材料，尺寸或厚度较大，导致导电性差、传质阻力大、待测物与活性中心接触几率小等问题。与传统块体MOFs材料相比，2D MOFs表现出更优异的性质：1)2D MOFs的纳米级厚度有利于质量传递和快速电子转移[7];2)限域的二维空间电子迁移可有效改善2D MOFs的导电性[8]。因此，基于2D MOFs构建电化学传感界面，将有助于进一步提升传感效能。

为此，本文以H2TCPP为配体，Cu2+为金属中心，通过溶剂剥离法制备Cu-TCPP纳米片。构建了基于修饰电极Cu-TCPP/GCE的电化学传感器，用于5—HT的电化学敏感检测。结果表明，Cu-TCPP纳米片可有效提高对5—HT的富集效率和电子转移能力，显著增强了电化学敏感性能。从而成功构建了一种高灵敏检测5—HT的新方法，且线性范围宽，检出限低。

1、实验部分

1.1主要仪器与试剂

仪器：CHI660E型电化学工作站(上海辰华仪器公司);扫描电子显微镜(荷兰FEI公司)X射线粉末衍射仪(荷兰Panalytical公司);傅里叶变换红外光谱仪(岛津企业管理(中国)有限公司);实验室纯水及超纯水系统(南京易普易达科技发展有限公司)

试剂：5—HT(上海阿拉丁试剂公司);三水合硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O)、5,10,15,20—四(4—羟基苯基)卟啉(C44H30N4O4)、十二水合磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)、二水合磷酸二氢钠(NaH2PO4·2H2O)、无水乙醇(C2H5OH)、N,N—二甲基甲酰胺(DMF)等试剂购于国药集团试剂有限公司(上海)。实验中用到的所有化学试剂均为分析纯，使用的水均为蒸馏水。

1.2实验方法

1.2.1 Cu-TCPP纳米片的制备

首先制备Cu-TCPP块体，具体步骤如下：准确称取0.21 g Cu(NO3)2·3H2O和0.18 g H2TCPP,加入到盛有45 mL DMF和15 mL C2H5OH的烧杯中，搅拌均匀后转移到100 mL反应釜中，在80℃下反应24 h。之后，将得到的悬浮液放置于离心管，以8 000 r/min的转速离心5 min,用无水乙醇将洗涤3次，并置于60℃真空干燥箱中干燥24 h,即得到Cu-TCPP块体。

称取0.007 g Cu-TCPP块体，置于盛有7 mL DMF离心管中，用封口胶将离心管的盖子密封好，超声剥离2 h,期间不定时摇晃离心管，得到稳定的Cu-TCPP分散液。接着以2 000 r/min的转速离心20 min,用滴管把上层分散液吸出置于新的离心管中，即得到Cu-TCPP纳米片悬浮液。

1.2.2 Cu-TCPP/GCE修饰电极的制备

分别用1.0μm, 0.3μm和50 nm粒径的α-Al2O3粉对GCE(直径Φ=3 mm)进行抛光。用蒸馏水冲洗后，再分别蒸馏水、乙醇超声清洗1 min,以去除电极表面的α-Al2O3粉末，常温下晾干备用。用移液枪移取3μL上述Cu-TCPP悬浮液，滴涂在GCE中心位置的表面，将电极放在红外灯下烤干即得到Cu-TCPP/GCE。

1.2.3电化学分析步骤

实验采用传统三电极系统，Cu-TCPP/GCE、饱和甘汞电极(saturated calomel electrode, SCE)、Pt电极分别作为工作电极、参比电极和辅助电极。5—HT的检测采用0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液(pH=7.0)作为支持电解液，在0 V电位下富集3 min后，记录0～0.6 V之间的差分脉冲伏安(diffe-rential pulse voltammetry, DPV)曲线，该曲线中出现的氧化峰为5—HT的氧化峰。

2、结果与讨论

2.1 Cu-TCPP纳米片的表征

通过扫描电子显微镜(scanning electronic microscope, SEM)表征了Cu-TCPP纳米片表面形貌特征。如图1(a)所示，超声剥离后观察到Cu-TCPP呈现出堆积的片状形貌。

图1 Cu-TCPP纳米片的SEM、XRD和FTIR图

Cu-TCPP块体和纳米片的XRD表征如图1(b)所示。Cu-TCPP块体谱图(曲线a)具有4个典型的峰，分别对应(110),(002),(210),(004)晶面，通过这些特征可以判断块体的Cu-TCPP为四方晶体结构。但Cu-TCPP纳米片的晶体衍射峰(曲线b)相对较弱，只有18°位置处的峰较为明显，对应(004)晶面。这一结果与已报道的文献[9]一致。

利用FTIR技术对H2TCPP配体、Cu-TCPP块体以及纳米片中的官能团进行了对比分析，如图1(c)所示。在H2TCPP的红外光谱图(曲线a)中，1 720 cm-1处为羧基的特征吸收峰。但Cu-TCPP块体(曲线b)和Cu-TCPP纳米片(曲线c)1 720 cm-1处羧基的特征吸收峰消失，且在1 618 cm-1和1 402 cm-1处出现2个新的吸收峰，这一现象表明H2TCPP失去质子后与Cu2+中心配位，进而形成框架结构[10]。

2.2 Cu-TCPP/GCE对5—HT的电化学信号增强效应

采用DPV法对比研究500 nmol/L 5—HT在裸GCE和Cu-TCPP/GCE表面的电化学氧化行为，结果如图2(a)所示。5—HT在裸GCE表面的电化学活性差，氧化峰电流较小。而在Cu-TCPP/GCE表面，0.356 V处可以看到明显的氧化峰。说明Cu-TCPP纳米片对5—HT有良好的电化学氧化活性信号增强效应。

图2 5—HT在GCE与Cu-TCPP/GCE上的DPV曲线阻抗图和双阶跃计时库伦曲线

为了进一步探讨5—HT氧化电流增强的原因，利用双阶跃计时库仑法研究了5—HT在裸GCE和Cu-TCPP/GCE上的吸附行为。分别记录了在含有500 nmol/L 5—HT的0.1 mol/L pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液中2种电极上的电量(Q)—时间(t)曲线。在从0～0.6 V的正向过程中，电量(Qf)可表示为

式中Qdl为双电层电量，Qads为吸附物质氧化的法拉第电量。从图2(c)和图2(d)中明显发现Qf-t1/2为一条直线，直线的斜率表示Qdl与Qads的和。此外，在0.6～0 V的反向过程中，移去的电量(Qr)可表示为

在此过程中，Qr与f(t)呈线性关系，其截距代表Qdl。通过计算得出，5—HT在GCE和Cu-TCPP/GCE上吸附电量分别为0.128μC和1.023μC,Qads值明显增加，说明Cu-TCPP纳米片显著提高了5—HT在电极表面的富集效率。

利用电化学交流阻抗法研究了5—HT在GCE和Cu-TCPP/GCE表面的电子转移能力。如图2(b)所示，Cu-TCPP/GCE(曲线a)在高频区的响应半圆直径远小于裸GCE(曲线b)。由Nyquist图可知，半圆区的直径代表活性物质在电极表面的电子传质阻力Rct。通过拟合得到Rct值分别为77.91 kΩ和25.42 kΩ。Rct值明显降低，说明Cu-TCPP纳米片具有优越的电子交换能力。因此，利用Cu-TCPP纳米片修饰GCE有助于提高其对5—HT的检测灵敏度。

2.3 Cu-TCPP/GCE对5—HT的电化学测定

2.3.1检测条件优化

为了研究富集电位对5—HT氧化电流的影响，分别记录了-0.2,-0.1,0,0.1,0.2 V富集电位下5—HT的氧化峰电流。结果如图3(a)所示，当累计电位达到0 V时，峰电流响应最大，因此，选择0 V作为测定5—HT的富集电位。图3(b)为富集时间对5—HT氧化峰电流的影响。随着富集时间由0 min逐渐增加至2.0 min时，5—HT的氧化峰电流显著增强，表明富集是提高5—HT检测灵敏度的有效手段。当进一步增加富集时间至3.0 min时，其电流响应值有所下降，这表明5—HT在Cu-TCPP/GCE表面的富集量趋于饱和。考虑到测定灵敏度以及分析时间，选定2.0 min为测定5—HT的最佳富集时间。图3(c)为Cu-TCPP修饰液用量对5—HT氧化峰电流的影响，当修饰剂用量由0μL逐渐增加至3.0μL时，5—HT的氧化峰电流随之增大；继续增大用量，其电流值开始下降。因此，选择3.0μL Cu-TCPP分散液为检测的最佳修饰量。

图3富集电位、富集时间和修饰量对5—HT电流信号的影响

2.3.2 5—HT的高灵敏电化学检测

在上述最优实验条件下，以0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液(pH=7.0)作为底液，采用DPV方法研究了不同浓度(5～1 000 nmol/L)5—HT在Cu-TCPP/GCE表面的氧化行为。如图4(a)所示，随着浓度的增大，氧化电流逐渐增大，且表现出良好的线性关系。线性回归方程为Ip=0.003 17C,相关系数R=0.998,5—HT的检出限为1.33 nmol/L(3倍信噪比)。与已报到的5—HT电化学传感相比，该方法电极材料制备简便，且具有较低的检查限。

同时，研究了一些潜在的干扰物对5—HT检测的影响，以考察该传感平台的抗干扰能力。发现100倍的抗环血酸以及10倍的多巴胺、肾上腺素、尿酸对500 nmol/L 5—HT的检测结果无干扰(峰电流变化小于5 %)。考察了该传感平台的重现性，制备了10根电极测定500 nmol/L 5—HT,记录对应的氧化峰电流值，最终得出相对标准偏差(RSD)为3.2 %,说明该电化学传感平台具有良好的重现性。

图4不同浓度的5—HT在Cu-TCPP/GCE上的DPV曲线和线性回归方程拟合

2.3.3实际样品检测

为了考察该传感器在实际样品分析中的适用性，采用加标回收法对尿液样品进行分析。如表1所示，回收率在96.3 %～102.5 %之间，表明该Cu-TCPP纳米片修饰GCE检测实际样品中5—HT的含量具有较高的准确度和可行性。因此，Cu-TCPP/GCE适合于构建5—HT的电化学传感平台，且制备的传感器可成功应用于实际样品中5—HT的测定。

表1在尿液样品中5—HT的加标检测

3、结论

以H2TCPP为配体，Cu2+为金属中心源，通过溶剂剥离法成功制备了Cu-TCPP纳米片。采用SEM、XRD、FTIR等技术对材料进行表征，证明层状堆积的Cu-TCPP纳米片的形成。构建了基于修饰电极Cu-TCPP/GCE的电化学传感器，用于5—HT的敏感检测。研究发现，与裸GCE相比，5—HT在Cu-TCPP/GCE上的氧化电流显著增强。证明了Cu-TCPP纳米片具有增敏效应的原因在于其具有较快的电子转移能力和较强的吸附能力。最后，基于该信号增强机理，成功构建了一种基于5—HT电化学检测新方法。该方法中Cu-TCPP纳米片修饰电极的制备过程简单，且在5—HT的检测中具有灵敏度高，检出限低的优势，因而具有良好的应用前景。

参考文献:

[5]司晨曦,高翔,曹可,等.基于Cu-BTC的2,4—二氯苯酚电化学传感器研究[J].传感器与微系统,2022,41(7):13-16.

[6]李志鹏,刘仪,李云蕊,等.基于金属—有机骨架材料的C反应蛋白传感器研制[J].传感器与微系统,2017,36(11):78-82.

基金资助:国家自然科学基金资助项目(62001159); 辐射化学与功能材料湖北省重点实验室专项基金重点资助项目(2021ZX07);

文章来源:彭连晖,王岐,姬柳迪,等.基于Cu-TCPP的高灵敏5—羟色胺电化学检测新方法[J].传感器与微系统,2024,43(04):161-164.