甲基功能化Cd基金屬有機骨架高靈敏電化學傳感多巴胺

馬甜甜 李素梅 張丞雨 續(xù) 璐 白乙艷 付云龍 籍文娟＊, 楊海英＊,,

(1山西師范大學化學與材料科學學院，磁性分子與磁信息材料重點實驗室，太原 030032)

(2運城學院應用化學系，運城 044000)

0 引 言

多巴胺(DA)是一種神經(jīng)遞質(zhì)。人腦中的多巴胺分泌異常就會引發(fā)帕金森綜合征、精神分裂癥、阿爾茨海默病等疾病[1-4]。目前，多巴胺分子可采用操作復雜、成本高、檢測速度慢的紫外可見光譜法[5]、毛細管電泳[6]、高效液相色譜法[7]、化學發(fā)光法[8]等方法檢測。因此，選用靈敏、快速、低成本、高效的電化學方法檢測[9-11]多巴胺是一種很好的選擇。

目前，金屬有機骨架(MOFs)已經(jīng)成為電化學傳感的明星材料之一。它具有催化活性的金屬中心[12]、大的比表面積[13]、可修飾的有機配體[14]和多樣的孔道結(jié)構(gòu)[15]而受到大家的關注。但是，以MOFs直接用作電極材料時，其導電性差[16]、水穩(wěn)定性和酸堿穩(wěn)定性差[17]的特點限制了純MOFs 在電化學傳感領域的應用。因此，構(gòu)建具有適合電化學傳感性能的MOFs 材料，關鍵是需要設計兼具化學穩(wěn)定性和具有特定識別位點的MOFs[18]。目前，穩(wěn)定性好的高價金屬MIL-101(Fe、Al、V、Ti、Sc 和Mn)材料[19]、異金屬MOFs[20]和后修飾合成的疏水性MOFs 已經(jīng)受到大家的青睞。如Tarasi 等[21]合成了2 個MOF：TMU-59和TMU-6(RL1)，并研究了在其堿性胺基周圍加入甲基等官能團對檢測靶分子的影響。研究了母體結(jié)構(gòu)TMU-6(RL1)和甲基功能化TMU-59對水溶液中三硝基苯酚(TNP)的檢測能力。研究結(jié)果表明，在柱狀連接劑上插入甲基基團可以顯著提高MOF 的疏水性、穩(wěn)定性和電子密度，并通過氫鍵和π-π相互作用等多種吸附機制最大限度地提高MOF 與硝基芳烴客體的相互作用。

基于以上考慮，我們選用混配策略，以帶有疏水功能基團的3，3′，5，5′-四甲基-1H，1′H-4，4′-聯(lián)吡唑(BPZ)和對苯二甲酸(H2BDC)為混合配體，與Cd（Ⅱ）離子構(gòu)筑出Cd 基MOF 材料[Cd(BDC)(BPZ)(H2O)]n(1)，其三維的孔道內(nèi)富含多個—CH3疏水基團和自由的羧基氧原子，通過氫鍵和范德瓦耳斯力增強與DA 分子的相互作用。將純的化合物1 直接滴涂到玻碳電極制成電化學傳感器1/GCE(Scheme 1)，可高靈敏檢測多巴胺，其檢出限(LOD)低至56.8 nmol·L-1，線性范圍為0.4～764.7 μmol·L-1。

Scheme 1 Schematic diagram for preparation of electrochemical sensor 1/GCE and its detecting dopamine

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

四水合硝酸鎘(Cd(NO3)2·4H2O)購于阿拉丁生化科技股份有限公司。BPZ購于濟南恒化科技有限公司。H2BDC 購自梯希愛化成工業(yè)發(fā)展有限公司。甲醇購自科密歐化學試劑公司。

所用的儀器有Bruker D8 venture 型單晶X 射線衍射儀(德國Bruker公司)、Ultima Ⅳ-185型粉末X射線衍射儀(PXRD，日本理學公司，輻射源MoKα，λ=0.071 073 nm，工作電壓40 kV，電流40 mA，掃描范圍5°～50°)、TGA/DSC 型同步熱分析儀(TG，瑞士梅特勒托利多)、VARIAN 660-IR 型傅里葉變換紅外光譜儀(美國瓦里安公司)、202 型電熱恒溫干燥箱(北京科偉)、CHI 660型電化學工作站(上海辰華公司)。

1.2 化合物1的合成

將含有0.047 g Cd(NO3)2·4H2O、0.015 g BPZ、0.008 g H2BDC、2 mL 去離子水和4 mL 甲醇的混合物放置在磁力攪拌器上攪拌混合1 h，隨后轉(zhuǎn)移至體積為20 mL 的玻璃小瓶子中，在恒溫烘箱中100 ℃下加熱反應3 d 后取出，等待冷卻到室溫后，用甲醇沖洗干凈并抽濾、干燥后得到透明塊狀晶體，即得到化合物1。產(chǎn)率為43.5%。

1.3 電化學性能測試

所有的電化學測量均在CHI 660 工作站上進行，用三電極體系配置：參比電極為汞/氧化汞電極(Hg/HgO)，對電極為Pt 絲電極，1/GCE 為工作電極。本工作中，在0.1 mol·L-1KCl 和10 mmol·L-1的三氯化六氨合釕([Ru(NH3)6]Cl3)混合溶液中，對裸玻碳和修飾電極進行循環(huán)伏安法(CV)和電化學阻抗(EIS)的測試。在-0.4～0.3 V 電壓窗口內(nèi)獲得了CV 曲線，EIS 實驗在0.01 Hz～100 kHz 頻率范圍內(nèi)進行，信號幅值為5 mV，并繪制Nyquist圖。

用化合物1/GCE 電極對多巴胺進行CV 測試和差分脈沖伏安(DPV)測試，利用磷酸鹽緩沖溶液(PBS)調(diào)節(jié)pH。在CV 測試中，設置掃速為100 mV·s-1，電壓窗口設置為-0.2～1.0 V；在DPV 測試中，脈沖幅度為0.05 V，脈寬為0.06 s，電壓窗口為-0.2～1.0 V。

1.4 X射線晶體結(jié)構(gòu)測定

用顯微鏡挑選出顆粒大小約為0.11 mm×0.08 mm×0.12 mm 的較透亮且無裂紋的晶體。取直徑與所選晶體大小相近的玻璃絲將其固定在單晶衍射儀的樣品架上。在室溫下，使用CCD 面探測器(MoKα，λ=0.710 73 nm)在布魯克單晶衍射儀上收集化合物1 的單晶X 射線衍射數(shù)據(jù)，并使用SADABS程序?qū)?shù)據(jù)進行經(jīng)驗吸收校正。采用SHELXS程序中的直接法解析晶體結(jié)構(gòu)，并用軟件SHELXL 對所有非氫原子坐標及其溫度因子進行全矩陣最小二乘法(F2)精修。所有的非氫原子都采用連續(xù)微分傅里葉法，并進行各向異性精修。1 的晶體學數(shù)據(jù)見表1，主要的鍵長和鍵角見表2。

表1 化合物1的晶體學數(shù)據(jù)Table 1 Crystalllographic data of compound 1

表2 化合物1的主要鍵長(nm)和鍵角(°)Table 2 Selected bong lengths(nm)and bond angles(°)of compound 1

CCDC：2320732。

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)描述

單晶X 射線分析的數(shù)據(jù)表明，化合物1 的晶體屬于單斜晶系P21/n空間群(圖1a)。在化合物1的配位環(huán)境圖中，Cd（Ⅱ）離子與2 個BDC2-配體中的3 個羧基氧原子、BPZ 配體中吡唑的2 個氮原子和配位水分子形成扭曲的八面體結(jié)構(gòu)。Cd—N 鍵的鍵長為0.232 13～0.233 72 nm，Cd—O 鍵的鍵長為0.223 82～0.239 57 nm，O—Cd—O 的鍵角為55.72°～165.51°，N—Cd—O 的鍵角為87.00°～94.23°。1 個Cd 離子周圍可與2 個BPZ 配體配位而形成一維鏈，一維鏈和一維鏈之間通過BDC2-配體擴展成由6 個Cd（Ⅱ）、4 個BPZ 和2 個BDC2-構(gòu)成的四邊形孔，其孔徑大小為51.8 nm×89.3 nm，孔壁內(nèi)富含4 個—CH3和2 個未配位的羧基氧原子位點(圖1b)；進而與另一個BDC2-配體在a軸和c軸方向擴展為三維孔道結(jié)構(gòu)(圖1c)，使其具有作為高效電化學傳感器的應用潛力。

圖1 (a)化合物1的配位環(huán)境圖;(b)二維結(jié)構(gòu);(c)三維結(jié)構(gòu)Fig.1 (a)Coordination environment diagram of compound 1;(b)2D structure;(c)3D structure

2.2 IR、PXRD表征和TG分析

對化合物1用紅外分析其結(jié)構(gòu)和官能團。由圖2 可以看出，在3 480 cm-1附近有1 個寬峰，是由于H2O 中H—O 的伸縮振動引起的。在1 506 和1 563 cm-1處分別出現(xiàn)了1 個較弱的和1 個較強的紅外吸收峰，這分別歸因于BPZ 配體中吡唑環(huán)上C=N、C=C 的伸縮振動；在1 382 cm-1處出現(xiàn)較強的紅外吸收峰，可歸因于BPZ 配體上—CH3的面內(nèi)彎曲振動，說明了BPZ配體的存在。

圖2 化合物1的紅外譜圖Fig.2 IR spectrum of compound 1

從測試的PXRD 圖中可以看出(圖3)，化合物1的PXRD 圖與其模擬的PXRD 圖可以很好地匹配，也表明合成出的化合物1 有良好的結(jié)晶度和純度。為了檢驗化合物1 的酸堿穩(wěn)定性，將化合物1 浸泡在pH=4～8 的PBS 中30 min 后洗凈晶體，然后進行PXRD 分析。從圖3 中可以看出浸泡后的化合物1的PXRD 圖仍然可以很好地與模擬PXRD 圖相匹配，說明化合物1 在不同pH 下的穩(wěn)定性良好，在電化學測試過程中有很好的酸堿穩(wěn)定性，為其作為良好的電化學傳感材料提供了保證。

圖3 化合物1的PXRD圖Fig.3 PXRD patterns of compound 1

從室溫加熱到800 ℃，對化合物1 進行熱重測試，對材料的熱穩(wěn)定性進行評估。由圖4可知，在溫度為186 ℃時，化合物1 開始分解，在200～280 ℃范圍內(nèi)，質(zhì)量的損失主要來自于骨架結(jié)構(gòu)中溶劑分子的脫去。在280～320 ℃的范圍內(nèi)，有機配體被破壞，出現(xiàn)第2個失重步驟，產(chǎn)生了約45%的質(zhì)量損失，表明化合物1 的骨架坍塌。當溫度升高至550 ℃以上時，化合物1的熱重曲線基本不再發(fā)生變化，表明化合物1 的結(jié)構(gòu)已完全坍塌，該熱重分析數(shù)據(jù)證明化合物1具有較好的熱穩(wěn)定性。

圖4 化合物1的熱重曲線Fig.4 TG curve of compound 1

2.3 化合物1/GCE的電化學傳感性能

2.3.1 化合物1/GCE的電化學阻抗

采用EIS 法和CV 法在含有0.1 mol·L-1的KCl的10 nmol·L-1[Ru(NH3)6]3+溶液中考察了化合物1 修飾前后電極的電化學性能。如圖5a 所示，當對裸GCE進行CV 測試時，從圖中可以觀察到一對明顯的[Ru(NH3)6]3+氧化還原峰，而1/GCE 的氧化還原峰電流卻顯著降低，這是MOF 的導電性較差導致的。隨后，又對上述2 種電極進行了EIS 測試(圖5b)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過修飾后的GCE 電極的Rct增大，表明電子在[Ru(NH3)6]3+與電極表面的電極-電解質(zhì)界面上的擴散能力更好，說明材料適合用于電化學傳感。

圖5 在10 nmol·L-1的[Ru(NH3)6]3+(含0.1 mol·L-1的KCl)溶液中,化合物1修飾前后電極的(a)CV曲線和(b)EIS圖Fig.5 (a)CV curves and(b)EIS plots of the electrode before and after modification with compound 1 in 10 nmol·L-1[Ru(NH3)6]3+containing 0.1 mol·L-1 KCl

2.3.2 DA的電化學行為

采用CV 法和DPV 法考察了化合物1 修飾前后電極在含有74 μmol·L-1DA 的0.1 mol·L-1的PBS 溶液(pH=5)中對DA 的電化學傳感性能。從圖6a 中可以觀察到，在-0.2～1.0 V 的電壓范圍內(nèi)，當以裸GCE作為工作電極時，在0.43、0.34 V 處僅有一對微弱的氧化還原峰出現(xiàn)。而在化合物1 修飾的電極上，在0.56、0.15 V 處出現(xiàn)明顯的DA 的特征氧化還原峰[22-23]。這與DPV 圖中1/GCE(Ipa=10.5 μA)相比于裸GCE(Ipa=2.6 μA)具有明顯增強的氧化峰電流相吻合(圖6b)。此外，DA 的氧化峰位置正移，還原峰負移，也表明與裸GCE 相比，1/GCE 對DA 有更好的電化學響應，這可以歸因于化合物1 結(jié)構(gòu)骨架中的甲基可以作為傳感的識別位點和MOF多孔的結(jié)構(gòu)[24]。

圖6 在含有74 μmol·L-1 DA的PBS(pH=5)中,化合物1修飾前后電極的(a)CV曲線和(b)DPV曲線Fig.6 (a)CV curves and(b)DPV curves of the electrode before and after modification with compound 1 in PBS(pH=5)containing 74 μmol·L-1 DA

2.3.3 最佳條件的選擇

考慮到電化學傳感性能受溶液pH、電極表面材料的負載量和負載濃度的影響，因而對這些參數(shù)進行了優(yōu)化。在不同pH 的PBS 中，采用DPV 法探究了溶液pH 對DA 在化合物1/GCE 電極上的電化學過程的影響，結(jié)果如圖7a 所示。當pH 從4 增加到8時，峰值電流先增加再減小，在pH=5 時電流響應達到最大[25-26]。此外，隨著溶液pH 的增加，氧化峰電位Epa向負方向偏移，表明有質(zhì)子參與了氧化過程。如圖7b所示，Epa與pH之間存在良好的線性關系，其線性公式為Epa=-0.057pH+0.776(R2=0.964)，斜率值-57 mV 近似等于-59 mV 的理論斜率[27]，表明在DA氧化過程中發(fā)生了雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移。

圖7 在含74 μmol·L-1 DA的不同pH的PBS中,1/GCE的(a)DPV曲線和(b)Epa隨pH變化的線性擬合圖;在含74 μmol·L-1 DA的PBS中(pH=5),(c)不同負載量和(d)不同負載濃度的1/GCE的DPV曲線Fig.7 (a)DPV curves and(b)the relationship between Epa and pH of 1/GCE in PBS of different pH values containing 74 μmol·L-1 DA;DPV curves of 1/GCE with(c)different load volumes and(d)different load concentrations in PBS(pH=5)containing 74 μmol·L-1 DA

之后，對電極表面滴涂用量進行優(yōu)化。如圖7c所示，當?shù)瓮苛吭?～6 μL 范圍時，DPV 響應電流隨著滴涂量的增加而增大。而當?shù)瓮苛坷^續(xù)增加至8 μL 時，DPV 響應電流卻顯著降低，可能是因為材料的滴涂量過大而阻礙了電極與傳感底物之間的電子轉(zhuǎn)移[28]，因此在后續(xù)實驗中選擇滴涂量為6 μL。采用同樣方法在0.1～0.5 mg·mL-1范圍內(nèi)對滴涂濃度進行優(yōu)化(圖7d)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當負載濃度在0.1～0.2 mg·mL-1范圍時，電流隨著濃度的增加而增大。而當負載濃度進一步增加到0.5 mg·mL-1時，峰值電流明顯減小，這是因為在較高的濃度下，化合物1的飽和導致部分活性位點被覆蓋，從而降低了靈敏度[29]。因而，后續(xù)實驗均在最優(yōu)條件(pH=5，滴涂量為6 μL，滴涂濃度為0.2 mg·mL-1)下進行。

2.3.4 電化學傳感的動力學

為了評價在化合物1 修飾電極上DA 氧化還原反應的動力學特性，在含有74 μmol·L-1DA 的0.1 mol·L-1的PBS 中(pH=5)，在不同掃描速率下(50～500 mV·s-1)進行CV 測試。如圖8a 所示，隨著掃描速率的增加，氧化峰和還原峰分別向正、負電位區(qū)域移動，且峰電流值隨之增加。如圖8b 所示，氧化峰電流Ipa與掃速的平方根之間存在良好的線性關系(Ipa=34.96v1/2+2.98，R2=0.992)[30-31]，表明DA 在化合物1/GCE 電極上的電化學反應是一個受擴散控制的準可逆電化學過程。

圖8 (a)在含有74 μmol·L-1 DA的PBS(pH5)中,1/GCE在不同掃速下獲得的CV響應;(b)Ipa與v1/2之間的校準曲線;(c)Epa與ln v之間的校準曲線Fig.8 (a)CV responses obtained by 1/GCE at different sweep rates in PBS(pH=5)containing 74 μmol·L-1 DA;(b)Calibration curve between Ipa and v1/2;(c)Calibration curve of Epa vs ln v

此外，在50～500 mV·s-1的掃描速率范圍內(nèi)，氧化峰電位Epa與lnv呈顯著的線性相關(圖8c)，其線性回歸方程為Epa=0.055lnv+1.74(R2=0.991)[32]。根據(jù)Laviron 方程Epa=E0+RTlnv/[(1-α)nF]，可以估算陽極氧化過程的電子數(shù)和電子轉(zhuǎn)移系數(shù)，其中E0是由Epa-lnv線性關系圖得到的截距，R為摩爾氣體常數(shù)(8.314 J·mol-1·K-1)，T為常溫(298.15 K)，α為電子轉(zhuǎn)移系數(shù)，n為轉(zhuǎn)移數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)(96485 C·mol-1)，v為掃描速率(V·s-1)，一般假定DA 氧化過程的電子轉(zhuǎn)移系數(shù)α為0.5，則計算所得其電子轉(zhuǎn)移數(shù)n≈2，表明DA 的氧化還原反應涉及2 個電子轉(zhuǎn)移[33]。結(jié)合Epa與pH 的關系(圖7b)，可以認為DA 在化合物1/GCE 電極表面發(fā)生了兩電子兩質(zhì)子轉(zhuǎn)移的可逆氧化還原反應[34]。

2.3.5 電化學傳感器的靈敏度

在上述優(yōu)化的實驗條件下，研究了基于化合物1/GCE 修飾電極的電化學傳感器對不同濃度DA 的DPV 響應。從圖9 中可以看出，在0.4～764.7 μmol·L-1范圍內(nèi)，氧化峰電流Ipa隨著DA 濃度的增加而逐漸增大。如圖9a 和9b 所示，當DA 濃度在0.4～90.0 μmol·L-1范圍內(nèi)時，線性方程為Ipa=0.116cDA-0.0458(R2=0.999)；而當DA 濃度在90.0～764.7 μmol·L-1范圍內(nèi)時，線性方程為Ipa=0.0317cDA+7.30(R2=0.985，圖9c 和9d)。因此，1/GCE 電極對DA 的LOD 為56.8 nmol·L-1，線性范圍為0.4～764.7 μmol·L-1。與其他已報道過的DA傳感器相比，1/GCE具有較低的LOD和較寬的線性范圍(表3)。綜上可知，所制備的基于化合物1/GCE電極的電化學傳感器具有檢出限低和線性范圍寬的優(yōu)點，這為DA 的高效檢測奠定了堅實的基礎。

圖9 1/GCE對0.4～90.0 μmol·L-1 DA的(a)DPV響應及(b)相應的Ipa與cDA之間的校準曲線;1/GCE對90.0～764.7 μmol·L-1 DA的(c)DPV響應及(d)Ipa與cDA之間校準曲線Fig.9 (a)DPV responses obtained by 1/GCE in the presence of 0.4-90.0 μmol·L-1 DA and(b)corresponding calibration curve between Ipa and cDA;(c)DPV responses obtained by 1/GCE electrodes in the presence of 90.0-764.7 μmol·L-1 DA and(d)corresponding calibration curve between Ipa and cDA

表3 本研究中的傳感器與先前報道的傳感器的比較Table 3 Comparison of the as-fabricated sensor with some previously reported sensors

2.3.6 電化學傳感器的重復性、再現(xiàn)性和抗干擾性

通過記錄0.1 mol·L-1PBS(pH=5)中74 μmol·L-1DA 氧化的電流響應，驗證了傳感器的再現(xiàn)性和可重現(xiàn)性。圖10展現(xiàn)了1根電極重復6次所得到的結(jié)果和5 根不同的電極各測1 次所得到的結(jié)果，由圖10a和10b可知，1根電極測量6次和5根電極各測量1 次之后電流的相對大小依然基本保持不變，DA 在化合物1/GCE 電極上的氧化電流相對標準偏差(RSD)分別為1.7%和4.8%，表明該方法具有較高重復性和再現(xiàn)性。

圖10 (a)一根1/GCE平行測定5次74 μmol·L-1 DA的DPV響應;(b)6根1/GCE平行測定74 μmol·L-1 DA的DPV響應;(c)1/GCE在不同干擾條件下檢測DA的選擇性Fig.10 (a)DPV responses of a 1/GCE electrode in 74 μmol·L-1 DA five times parallelly;(b)DPV responses of six 1/GCE electrodes in 74 μmol·L-1 DA parallelly;(c)Selectivity of 1/GCE for the detection of DA in the presence of different interferents

此外，還研究了1/GCE 電極在NaCl、KCl、尿酸(UA)、抗壞血酸(AA)、葡萄糖(Glu)等常見干擾物存在時(濃度為DA 濃度的10 倍)檢測DA 的選擇性。如圖10c 所示，在存在高濃度干擾物的情況下，響應電流沒有明顯的變化。這表明1/GCE 對DA 有優(yōu)異的選擇性，進一步說明了該修飾電極的優(yōu)異性能。

2.3.7 實際樣品分析

為了檢測構(gòu)建傳感平臺的可行性，對人血清進行了DA 檢測：人血樣本取自山西師范大學校醫(yī)院健康志愿者，取5 mL人血樣本在10 000 r·min-1下離心30 min，取人血清樣本，無需其他處理，最后用PBS(pH=5)將人血清稀釋50倍后進行分析。首先對真實樣本進行分析，以確定真實樣本中是否存在DA，發(fā)現(xiàn)真實樣本中DA 的濃度為0.74 μmol·L-1。進而配制成不同濃度的DA，然后使用標準加入法將不同特定濃度的DA 加入血清中，從而制備樣品。如表4中的結(jié)果顯示，DA 在人血清樣本中的回收率在95.23%～100.90%之間。這些結(jié)果表明，1/GCE 電極在真實樣本中可以有效地分析DA。

表4 稀釋人血清樣本中DA的測定Table 4 Determination of DA in diluted human serum samples

3 結(jié) 論

為了達到靈敏檢測DA 的目的，我們成功構(gòu)建了一個Cd-MOF 電化學傳感平臺，該傳感平臺通過修飾材料三維結(jié)構(gòu)孔道壁中豐富的甲基基團來增強材料的疏水性進而增強在傳感體系中的穩(wěn)定性，材料結(jié)構(gòu)中未配位的羥基氧原子與DA 之間形成氫鍵作用，從而增加與底物的識別位點，結(jié)果顯示為傳感信號的增強。該傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，這項工作為功能化MOF 材料用于DA 傳感器提供了新的思路，并且有可能很快擴展到其他分子的電化學檢測應用中。