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基于MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs复合材料的比率型电化学传感器检测过氧化氢

2023-10-08赵思佳王静贺锋杜鹏飞刘天地张绍颖李腾飞

分析化学 2023年9期
关键词:苯酚比率氨基

赵思佳 王静 贺锋, 杜鹏飞 刘天地 张绍颖 李腾飞

1(河北工程大学生命科学与食品工程学院, 邯郸 056038)

2(河北工程大学材料科学与工程学院, 邯郸 056038)

3(山东省农业科学院农产品加工与营养研究所, 山东省农产品精深加工技术重点实验室,农业农村部新食品资源加工重点实验室, 济南 250100)

过氧化氢(H2O2)具有杀菌和漂白等作用且易分解[1],常用于食品加工和化工生产等行业。过量的H2O2进入人体会诱发心血管疾病和癌症等[2]。许多国家对食品中H2O2的残留量有严格要求,美国食品药品管理局(FDA)规定H2O2残留量不超过0.5 mg/L, 我国明确禁止在乳制品生产中添加H2O2[3]。因此,建立食品中H2O2的快速、灵敏的检测方法具有重要意义。

目前,H2O2的检测方法主要有比色法[4]、荧光法[5]、色谱法[6]、电化学法和化学发光法[7]等。电化学法具有操作简便、分析成本低、响应快速和灵敏度高等特点,广泛用于H2O2检测[8],如基于银纳米粒子/碳纳米球[9]、氧化石墨烯/金纳米颗粒[10]和铜基金属有机骨架[11]等材料修饰电极的电化学传感器,均可实现对H2O2的灵敏检测。然而,以上传感器均是直接对H2O2的电信号进行检测,容易受到复杂样品基质及检测环境的干扰[12]。比率型电化学传感器基于内参信号和目标响应信号之比实现精准检测,可以消除基质和环境的干扰[13]。因此,构建比率型电化学传感器用于复杂样品基质中H2O2的检测具有良好的现实意义。

金属有机框架(Metal organic frameworks,MOFs)材料是由金属离子/团簇和不同的有机配体组成的一类新型晶体多孔材料,具有孔隙率高、表面积大和电化学活性位点多等特性。常规MOFs 作为电极材料,其电导率和稳定性较差,引入多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)制备复合材料,可提高其电化学性能[14]。Rani 等[15]使用碳纳米管功能化的锡基金属有机骨架材料实现了H2O2的灵敏检测,采用该方法有效提高了材料的电子传输速率,增强了MOFs 的电催化活性。目前,采用MOFs 构建H2O2比率型电化学传感器的研究还鲜有报道。

亚甲基蓝(Methylene blue,MB)具有电子传输速率快、氧化还原可逆及水溶性好等优点,可为比率型电化学传感器提供内参信号[16]。本研究采用锌基金属有机骨架(ZIF-8)与羧基化碳纳米管的复合材料修饰电极,以MB 的氧化峰电流作为内参信号构建比率型电化学传感器(图1)。引入对氨基苯硼酸(PABA)与H2O2反应生成电活性物质对氨基苯酚(PAP),以PAP 与MB 的氧化峰电流比值作为检测信号,实现H2O2的特异性检测。

图1 基于MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 的H2O2 比率型电化学传感器构建示意图Fig.1 Schematic illustration of construction process of ratiometric electrochemical H2O2 sensor based on MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

SU8020 场发射扫描电子显微镜(日本Hitachi 公司);FEI Talos F200X 场发射透射电子显微镜(美国FEI 公司);D8 Advance X-射线衍射仪(德国布鲁克公司);CHI 650E 电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)。采用三电极系统:以玻碳电极(GCE,直径为3 mm)为工作电极,铂丝为辅助电极,Ag/AgCl 电极为参比电极。

MB、PABA、聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)和MWCNTs 购于上海麦克林生化科技有限公司;H2O2(30%)购于莱阳市康德化工有限公司。其它试剂均为分析纯;实验用水为超纯水(18.2 MΩ·cm)。磷酸盐缓冲溶液(Phosphate buffer saline,PBS)由Na2HPO4和NaH2PO4配制而成。

1.2 实验方法

1.2.1 羧基化多壁碳纳米管(COOH-MWCNTs)的合成

参考文献[17]的方法,将MWCNTs 进行羧基化处理,以去除金属杂质和引入含氧基团。将100 mg MWCNTs 加入到60 mL 混酸(浓硫酸∶浓硝酸=3∶1,V/V)中,超声分散2 h,分散液在70 ℃下回流5 h。冷却后,将分散液用超纯水稀释并过滤,反复洗涤至中性,60 ℃下真空干燥24 h, 得到COOH-MWCNTs。

1.2.2 ZIF-8/COOH-MWCNTs的合成

参考文献[18]的方法,将10 mg COOH-MWCNTs 和0.1 g PVP-K30 加入到50 mL 2-甲基咪唑的甲醇溶液(80 mmol/L)中,随后缓慢加入50 mL 醋酸锌的甲醇溶液(16 mmol/L)。将以上混合溶液搅拌30 min,室温下静置12 h, 离心,用水和甲醇洗涤,收集产物,在80 ℃真空干燥24 h, 得到ZIF-8/COOHMWCNTs。在不添加COOH-MWCNTs 的条件下,采用同样的方法制备得到ZIF-8。

又如,11月的主题是科技,小学部3~6年级学生到青少年活动中心体验小制作。从学校步行到活动中心,4公里的路程是对学生毅力的挑战。许多学生都没有步行这么远距离的体验,这次活动把体育、思想品德、科学、美术、数学、语文学科融合在一起,既锻炼了大家的身心,又培养了学生实践和创新能力。此外,1~2年级还在DIY基地体验了制作小蛋糕;3~6年级开展了大兴农场采摘活动。学习任务单式的实践活动不仅让学生获得了不同的劳动体验,同时也让学生将所学的学科知识应用到实践中。

1.2.3 修饰电极的制备

将GCE 表面用不同粒径的Al2O3粉抛光打磨成镜面,再用乙醇和水超声清洗5 min,氮气吹干,随后将ZIF-8/COOH-MWCNTs 分散液(10 μL,0.5 mg/mL)滴加在电极表面,室温下干燥,得到ZIF-8/COOHMWCNTs/GCE。将MB 溶液(3 μL,75 μmol/L)滴加在电极表面,室温下干燥,获得修饰电极MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE。

1.2.4 电化学检测

采用三电极体系,以MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 为工作电极,铂丝为辅助电极,Ag/AgCl 电极为参比电极。循环伏安法(Cyclic voltammetry,CV)的电位范围为-0.2~0.6 V, 扫描速率为0.05 V/s。电化学阻抗谱(Electrochemical impedance spectroscopy,EIS)的频率范围为0.01 Hz~100 kHz,振幅为0.005 V。CV 和EIS 测试均在5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液中进行。差分脉冲伏安法(Differential pulse voltammetry,DPV)测量在PBS(0.01 mol/L, pH 7.5)中进行,电位范围为-0.5~0.3 V, 脉冲宽度为0.1 s, 脉冲周期0.2 s, 振幅为0.05 V。

1.2.5 牛奶样品的处理

牛奶样品购于邯郸本地超市。将1.8 g(NH4)2SO4加入到10 mL 牛奶样品中,搅拌15 min 后,以8000 r/min 离心20 min, 取上清液过滤,收集滤液,在4 ℃下储存。

2 结果与分析

2.1 ZIF-8/COOH-MWCNTs表征

采用扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)和透射电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)对ZIF-8、COOH-MWCNTs 和ZIF-8/COOH-MWCNTs 材料进行形貌表征。如图2A 所示,所制备的ZIF-8 晶体呈典型的多面体形貌,粒径约为150~200 nm。未修饰的COOH-MWCNTs 呈细长的管状结构(图2B)。图2C 为ZIF-8/COOH-MWCNTs 复合材料,可以明显看出ZIF-8 分散在COOHMWCNTs 周围,表明ZIF-8/COOH-MWCNTs 复合材料制备成功。ZIF-8/COOH-MWCNTs 的TEM 图(图2D)清晰呈现了COOH-MWCNTs 缠绕ZIF-8 的结构。

图2 ZIF-8(A)、COOH-MWCNTs (B)和ZIF-8/COOH-MWCNTs (C)的扫描电子显微镜(SEM)图; ZIF-8/COOH-MWCNTs (D)的透射电子显微镜(TEM)图Fig.2 Scanning electron microscopy (SEM) images of ZIF-8 (A), COOH-MWCNTs (B) and ZIF-8/COOHMWCNTs (C); Transmission electron microscope (TEM) image of ZIF-8/COOH-MWCNTs (D)

ZIF-8、COOH-MWCNTs 和ZIF-8/COOH-MWCNTs 3 种材料的X-射线衍射图见图3。ZIF-8(曲线b)在7.5°、10.5°、12.5°、14.73°、16.42°和18.00°处的特征衍射峰分别对应于(011)、(002)、(112)、(022)、(013)和(333)晶面,与文献[19]基本一致。COOH-MWCNTs(曲线a)在26.01°和43.12°处的衍射峰对应(002)和(100)晶面。ZIF-8/COOH-MWCNTs(曲线c)的峰值分布与ZIF-8(曲线b)的峰值分布大致相同,说明COOH-MWCNTs 的添加对ZIF-8 的晶体结构没有影响。

图3 COOH-MWCNTs (a)、ZIF-8 (b)和ZIF-8/COOH-MWCNTs (c)的X 射线衍射(XRD)图Fig.3 X-ray diffraction (XRD) patterns of COOH-MWCNTs (a), ZIF-8 (b) and ZIF-8/COOH-MWCNTs (c)

2.2 不同修饰电极的电化学表征

采用CV 研究了不同修饰电极(GCE、ZIF-8/GCE、ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 和MB@ZIF-8/COOHMWCNTs/GCE)的电化学行为。如图4A 所示,氧化还原探针[Fe(CN)6]3-/4-在裸GCE 上有一对明显的可逆氧化还原峰;在GCE 上修饰ZIF-8 后,因为ZIF-8 本身的弱导电性,导致电流响应明显降低(曲线a);当ZIF-8/COOH-MWCNTs 复合材料修饰GCE 后,峰电位差明显减小,氧化还原峰电流值增大(曲线c),说明ZIF-8 与COOH-MWCNT 的协同作用加快了电子传递速率;当MB 修饰到ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE上,氧化还原峰电流达到最大值(曲线d)。

图4 不同修饰电极的(A)循环伏安(CV)图、(B)电化学阻抗谱(EIS)图和(C)计时库伦图:(a)ZIF-8/GCE; (b) GCE; (c) ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE; (d) MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCEFig.4 (A) Cyclic voltammograms (CV), (B) electrochemical impedance spectroscopic (EIS) graphs and (C)chronocoulometry curves of different electrodes: (a) ZIF-8/GCE; (b) GCE; (c) ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE;(d) MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE

EIS 是表征电极界面性质的有效方法,其中,直线部分表示扩散过程,高频处的半圆直径大小对应电荷转移阻值(Rct)。如图4B 所示,裸GCE 的Rct为138 Ω(曲线b)。当修饰ZIF-8 后,半圆的直径明显变大(Rct=375 Ω,曲线a),表明ZIF-8 阻碍了电子转移。相比之下,ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 的半圆直径较小,表明ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 的电子转移加快,阻抗值减小(Rct=32 Ω,曲线c)。此外,MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE(Rct=18 Ω,曲线d)的半圆直径远小于其它修饰电极,表明MB 显著促进了电极表面电子的传输,这与CV 的结果一致。

采用计时库仑法测试修饰电极在5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液中的电量和时间的关系,按式(1)[20]计算修饰电极的有效面积:

其中,A是电极活性表面积,C是底物浓度,n是电子的转移数,F是法拉第常数,t是时间,D是铁氰化钾的标准扩散系数,Qads为Faradaic 电荷。如图4C 所示,计算得到ZIF-8/GCE、GCE、ZIF-8/COOHMWCNTs/GCE 和MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 电极的活性表面积A分别为0.1212、0.1313、0.1671和0.2053 cm2, 表明修饰材料可为电极提供更多的活性位点。

2.3 电化学检测H2O2原理

PABA 与H2O2反应可生成电活性物质对氨基苯酚,如图5 所示。

图5 对氨基苯硼酸(PABA)与H2O2 的反应过程Fig.5 Reaction process of 4-aminophenylboronic acid (PABA) and H2O2

在含有0.5 mmol/L PABA 的溶液(0.01 mol/L PBS,pH 7.5)中,测定对氨基苯酚在不同修饰电极(GCE、MB/GCE 和MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE)上的DPV 响应。如图6 所示,3 种修饰电极均在0.096 V 左右出现对氨基苯酚的电化学氧化峰,与GCE(曲线a)和MB/GCE(曲线b)相比,对氨基苯酚在MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE(曲线d)上的氧化电流更大,说明修饰电极具有较高的电催化活性和良好的电导率。另外,MB/GCE 和MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 在-0.3V 左右还有另一个氧化峰,该氧化峰为MB 的氧化峰。在电解液中加入不同浓度的H2O2,MB 的氧化峰电流基本不变,但对氨基苯酚的氧化峰电流随浓度而改变(曲线c)。基于此,可以构建检测H2O2的比率型电化学传感器。

图6 裸GCE(a)、MB/GCE(b)和MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE(d)在含有50 μmol/L H2O2 的0.5 mmol/L PABA 溶液(0.01 mol/L PBS,pH 7.5)中的差分脉冲伏安(DPV)曲线;(c)MB@ZIF-8/COOHMWCNTs/GCE 在含有30 μmol/L H2O2 的0.5 mmol/L PABA 溶液(0.01 mol/L PBS,pH 7.5)中的DPV 曲线Fig.6 Differential pulse voltammetry(DPV)curves of 50 μmol/L H2O2 in 0.5 mmol/L PABA solution(0.01 mol/L PBS, pH 7.5) on different electrodes: (a) bare GCE, (b) MB/GCE, (d) MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE;(c)DPV curve of 30 μmol/L H2O2 on MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE in 0.5 mmol/L PABA solution(0.01 mol/L PBS, pH 7.5)

2.4 实验条件的优化

考察了溶液pH 值对MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 电化学性能的影响。如图7A 所示,在pH 6.0~7.5 范围内,对氨基苯酚与MB 的电流比值随着pH 值增大而增加,当pH>7.5 时,电流比值逐渐减小。因此,本研究选择溶液pH=7.5。图7B 显示了溶液pH 值(6.0~8.5)对对氨基苯酚的氧化峰电位的影响。Epa与pH 值的线性回归方程为Epa(V) = -0.05109pH + 0.5454 (R2= 0.997), 斜率接近于能斯特方程的理论值(-0.059 mV/pH),表明对氨基苯酚在该电极上的氧化是等电子等质子反应。

图7 (A)pH 值对MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 电极响应的影响;(B)pH 值与对氨基苯酚氧化峰电位的线性拟合曲线;(C)H2O2 和PABA 反应时间对MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 电极响应的影响Fig.7 (A)Influences of pH value on response of MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE;(B)Linear fitting curve of pH value and oxidation peak potential of p-aminophenol; (C) Influence of reaction time of H2O2 and PABA on response of MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE

H2O2与对氨基苯酚溶液反应时间对电化学性能的影响见图7C,随着反应时间延长,对氨基苯酚与MB 的电流比值增大,80 s 后,电流比值几乎保持不变。因此,最佳反应时间选择80 s。

2.5 扫描速率的影响

图8A 为MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 在0.01 mol/L PBS 溶液(pH 7.5)中不同扫描速率下的CV 曲线,出现了对氨基苯酚的氧化还原峰(0.04/0.15 V)。如图8B 所示,对氨基苯酚的氧化峰和还原峰电流与扫描速率的平方根成正比。根据Randles-Sevcik 方程,线性回归方程可以表示为Ipa=1.99625v1/2+1.6799(R2=0.994),Ipc=-1.93735v1/2+ 0.45762 (R2=0.995),表明对氨基苯酚在MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE上的电化学过程以扩散控制为主。此外,对氨基苯酚的氧化峰电位或还原峰电位和扫描速率的对数(lgv)呈线性关系(图8C),线性方程为Epa=0.04645lgv+0.03383(R2=0.994),Epc=-0.03444lgv+0.1218(R2= 0.991)。根据Laviron 方程可计算出电子转移数n。

图8 (A) MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 在不同扫速(30~130 mV/s)下的CV 曲线; (B) 氧化还原峰电流和扫速平方根的线性拟合曲线; (C) 扫描速度的对数与氧化还原峰电位的线性拟合曲线Fig.8 (A) CV curves of MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE in the presence of 50 μmol/L H2O2 in 0.01 mol/L PBS(pH 7.5) at different scan rates(30-130 mV/s); (B) Linear fittings of square root of redox peak current and scan rate; (C) Linear relationship between the peak potential (Epa, Epc) and logarithm of scan rate

其中,n、F、T和R分别是氧化还原过程中的电子数、法拉第常数、温度和理想气体常数。由上述对pH 值与电位的研究得出对氨基苯酚在MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 表面是等电子等质子反应,结合公式(2) 和(3) 得出n= 2.1,这表明对氨基苯酚的电化学反应是双电子双质子转移过程,其可能的反应机理如图9 所示。

图9 对氨基苯酚化学式以及可能的电化学氧化机理Fig.9 Chemical structure and possible oxidation mechanism of 4-aminophenol

2.6 方法的分析性能

图10A 为MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs 在含有不同浓度H2O2的0.5 mmol/L 对氨基苯酚溶液(0.01 mol/L PBS,pH 7.5)中的DPV 曲线,可见随着H2O2浓度增加,对氨基苯酚在0.095 V 左右的氧化峰电流逐渐变大。对氨基苯酚与MB 的电流比值(I/IMB)与H2O2浓度在5~200 μmol/L 范围内呈线性关系,线性回归方程为I/IMB=0.0087C(μmol/L)+0.1980(R2=0.996),检出限(LOD,S/N=3)为0.2 μmol/L。与其它检测H2O2的传感器相比(表1),本传感器具有较高的灵敏度和较低的检出限。

表1 MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE与其它传感器检测H2O2的性能比较Table 1 Comparison of the performances between MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE and other sensors for detection of H2O2

图10 (A) 传感器对不同浓度(5~200 μmol /L) H2O2 的DPV 曲线; (B) 检测H2O2 浓度的线性校正曲线Fig.10 (A) DPV curves of the sensor toward different concentrations (5-200 μmol/L) of H2O2; (B) Calibration curve of sensor for detection of H2O2

2.7 选择性、重复性及稳定性研究

为了评价MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs/GCE 检测H2O2的选择性,选择了葡萄糖、柠檬酸、L-脯氨酸和尿素等干扰物加入50 μmol/L H2O2的溶液中,干扰物浓度是H2O2浓度的50 倍,如图11 所示,常见干扰物对H2O2的影响可以忽略不计,此传感器表现出良好的特异性。平行制备5 根MB@ZIF-8/COOHMWCNTs/GCE 修饰电极对50 μmol/L H2O2进行测定,相对标准偏差(RSD)为2.1%,表明此比率型传感器具有良好的制备重现性。将修饰电极在4 ℃保存10 d 后,I/IMB值为初始值的90.4%,表明此比率型电化学传感器具有良好的储存稳定性。

图11 传感器对H2O2 的选择性。H2O2 浓度为50 μmol/L, 干扰物浓度为2.5 mmol/LFig.11 Selectivity of the sensor toward H2O2. The concentrations of H2O2 and interferents are 50 μmol/L and 2.5 mmol/L, respectively

2.8 实际样品分析

为考察本方法在实际样品中的检测能力,采用本方法测定了市售牛奶样品中的H2O2,结果如表2 所示,H2O2加标回收率为95.6%~104.0%,RSD<4%。上述结果表明,本方法对牛奶样品中H2O2的测定具有良好的准确性和实用性。

表2 牛奶样品中H2O2的检测结果Table 2 Detection results of H2O2 in milk sample

3 结论

构建了一种基于MB@ZIF-8/COOH-MWCNTs 的比率型电化学传感器用于H2O2检测。此传感器对H2O2的线性范围为5~200 μmol/L, 检出限为0.2 μmol/L。牛奶样品中H2O2的加标回收率为95.6%~104.0%,表明此比率型电化学传感器有良好的实用性,有望用于食品中H2O2的灵敏检测。

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