Cu@Co 雙核MOFs 衍生碳材料用于黃芩素的電化學傳感分析

魯猷欒，穆新偉，劉耀鵬，石 震，鄭 寅?，黃文勝

1. 湖北民族大學超輕彈性體材料綠色制造民委重點實驗室，湖北 恩施445000；2. 湖北民族大學化學與環境工程學院，湖北恩施445000

0 引 言

黃芩素（baicalein，BA）是一種常見的黃酮類物質，已在臨床試驗中表現出抗菌、抗炎、改善腦血循環及抗血小板凝集的作用，但攝入量過多時也會損傷機體［1～3］。已報道的用于BA 定量分析的方法有毛細管電泳法［4］、薄層色譜法［5］、紫外分光光度法［6］和高效液相色譜法［7］等，這些方法或需要復雜的預處理過程，或需要昂貴的儀器，或需要較長的檢出時間，因而在實際使用中屢屢受限。相比之下，電化學傳感具有操作簡單、耗費少、響應快及可實時檢測等優點，更適用于BA 的定量分析。

金屬有機框架（metal organic frameworks，MOFs）材料因孔隙率高、結構和功能性多樣等優點在吸附、儲能、傳感等領域得到廣泛研究［8～11］。在電化學傳感過程中，MOFs 的金屬中心離子可通過提供豐富的活性位點來增加電極與待測物間的親和力，因此可賦予電化學傳感器較高的靈敏度［12，13］。但是，由于MOFs 的導電性不太理想，不適合直接用于構筑電化學傳感器。為提高其導電效果，一般會將MOFs 用作前驅體來制備多孔碳材料［14］或金屬氧化物材料［15］。MOFs 的金屬氧化物可同時保留前驅體的形貌和金屬中心離子，而相比于單核MOFs，雙核MOFs 的金屬氧化物中雙金屬離子間可在電化學傳感過程產生協同作用，形成的局部“電容器”效應能夠進一步增強材料的電導率，因而更 適 用 于 電 化 學 傳 感 領 域［16，17］。目 前，將 雙 核MOFs 的金屬氧化物應用于電化學傳感器的研究較為少見，而基于雙核MOFs 金屬氧化物測定BA 的電化學傳感器未見報道。

納米CoO 對有機物分子具有良好的親和力［18］，而納米Cu 具有良好的導電效果［19］，因此將兩者聯合運用可有效增敏電化學傳感器。本文以Cu 鹽和Co 鹽為金屬源，通過水熱法合成了Cu@Co 雙核MOFs，并以此為前驅體經熱解法制備了一類Cu@C@CoO 材料，然后分別將其修飾到玻碳電極表面，通過電化學交流阻抗技術（EIS）、循環伏安法（CV）、微分脈沖伏安法（DPV）等方法比較了它們的電化學性能，通過優化BA 的檢測條件，實現了實際樣品中BA 的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：CHI 660E 型電化學分析儀（三電極體系中的工作電極為玻碳電極（GCE，直徑3 mm），對電極為鉑片電極，參比電極為飽和Hg/Hg2Cl2電極（SCE），上海辰華公司）；GWL-1600 型管式爐（南京南大儀器廠）；Quanta FEG250 型掃描電子顯微鏡（SEM，FEI 公司）；XRD-7000 型X 射線衍射儀（XRD，Shimadzu 公司）；ESCALAB 250Xi 型X 射線光電子能譜分析儀（XPS，賽默飛世爾科技有限公司）；LabRAM HR800 型激光共聚焦拉曼光譜儀（Raman，HORIBA Jobin Yvon 公司）；熱重分析儀（TGA，SII 公司）；Autosorb iQ 型全自動比表面和孔徑分析儀（Quantachrome 公司）。

試劑：Co（NO3）2·6H2O、Cu（NO3）2·3H2O、1，3，5-均苯三甲酸（TMA）、乙二醇（EG）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、聚乙烯吡咯烷酮（PTA，平均分子質量44 000～54 000）為化學純，黃芩素（BA）為分析純，均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；磷酸鹽緩沖液（PBS）由0.1 mol/L 的Na2HPO4和KH2PO4混合配制；鐵氰化鉀溶液（PFS）由Fe［（CN）6］3-/4-和KCl 混合配制，其濃度分別為0.005 mol/L 和0.100 mol/L；所有溶液均由去離子水配制。

1.2 材料制備

在DMF 與EG 體積比為1∶1 的50 mL 混合溶液中 加 入2.5 g Co（NO3）2·6H2O、2.5 g Cu（NO3）2·3H2O、1.5 g TMA、1.0 g PTA，攪 拌 均 勻 后 在150 ℃條件下水熱反應10 h，得到的固體物用乙醇和去離子水分別洗滌3 次，然后在60 ℃下干燥，獲得前驅體雙核MOFs。將雙核MOFs 置于管式爐中，分別在N2氛圍下以2 ℃/min 的速率升至400、500、600 ℃并維持1 h，然后自然冷卻至室溫。將得到的MOFs 衍生碳材料分別命名為Cu@C@CoO-400、Cu@C@CoO-500 和Cu@C@CoO-600。

1.3 修飾電極的制備

用0.05 μm 的Al2O3勻漿拋光GCE 后，再 分 別將其浸入乙醇和去離子水超聲30 s，晾干。取10 mg 不同熱解溫度制備的MOFs 衍生碳材料于10 mL DMF 溶液中，超聲3 h 制成分散液，然后取5 μL分散液滴涂在電極表面，于紅外燈下干燥，根據熱解溫度的不同分別記為Cu@C@CoO-400/GCE、Cu@C@CoO-500/GCE與Cu@C@CoO-600/GCE。圖1 為修飾電極的制備流程與BA 的反應機理圖。

圖1 修飾電極的制備流程及其與BA 的反應機理圖Fig.1 Flow chart of preparation and reaction mechanism with BA of the modified electrode

1.4 電化學測試

采用電化學阻抗（EIS）研究電極的電化學性能時，支撐電解質為PFS 溶液，脈沖頻率范圍為0.01 Hz～100 kHz，脈沖振幅為5 mV；采用循環伏安法（CV）研究電極的電化學性能時，支撐電解質為pH 7.0 的PBS 溶液，掃描速率為100 mV/s，掃描范圍為-0.2～0.6 V。

采用CV 法和差分脈沖伏安法（DPV）研究BA的電化學行為時，支撐電解質均為含1×10-6mol/L BA 的PBS 溶液（pH 2.0），CV 的 掃 描 速 率 為100 mV/s，掃描范圍為0.2～0.8 V；DPV 的富集電位為0 V，富集時間為150 s，脈沖振幅為50 mV，脈沖寬度為50 ms，掃描速率為50 mV/s，掃描范圍為0.2～0.6 V。

所有電化學測試都是在三電極體系的CHI 660E 電化學工作站進行的。

2 結果與分析

2.1 材料表征

圖2（a）、（b）和（c）分別 為Cu@C@CoO-400、Cu@C@CoO-500 和Cu@C@CoO-600 的 掃 描 電 鏡（SEM）圖?？梢钥闯?，金屬的納米顆粒被三維互連的碳殼材料緊密包圍，且隨著熱解溫度的增加，碳殼材料明顯減少。

本文根據光伏逆變器的特點，利用關鍵器件TMS320F240、SG3525、ICL8038，進行逆變器的研究和設計.該系統的基本功能比較完善，成本較低，開發周期較短，適合于市場推廣.

圖2（d）（e）（f）分別為不同熱解材料的透射電鏡（TEM）圖?？梢钥闯?，較高溫度下制備的熱解材料內部納米Cu 和納米CoO 顆粒的間距明顯較大（圖2（f）），同時粒徑變大且分布更加均一。這主要歸因于高溫條件下PTA 和配體等成分的進一步碳化分解，同時由于雙核MOFs 的熱解程度加劇，生成的還原Cu 與CoO 也越來越多，并隨著碳層逐漸減少而變得均勻。

圖2 各碳材料的SEM 圖(a)～(c)及對應的TEM 圖(d)～(f)Fig.2 SEM images (a)-(c)and TEM images (d)-(f)of the carbon materials

圖3 為前驅體Cu@C@CoO 的TGA 曲線?？梢钥闯?，在350 ℃之前該材料比較穩定，失重率為12.06%，失重部分主要為材料內部殘存的部分溶劑；從350 ℃到600 ℃，材料失重比例急劇增加，失重率達到58.45%，這是由于PTA 和有機配體等的熱解［17］，在600 ℃以后，材料中的PTA 和有機配體等基本碳化完全，形成了穩定的碳層結構，而納米金屬的形態穩定，因此殘余質量基本不變。

圖3 Cu@C@CoO 的TGA 曲 線Fig.3 The TGA curves of Cu@C@CoO

圖4 為各碳材料的Raman 光譜。Raman 光譜中D 峰（273.10 cm-1）強度ID與G 峰（661.20 cm-1）強度IG的比值可反映材料的石墨化程度，該值越低則材料的石墨化程度越高［20］。經計算，Cu@C@CoO-400、Cu@C@CoO-500 和Cu@C@CoO-600 的ID/IG分別為1.55、1.19 和1.07，說明在較高熱解溫度下制備的Cu@C@CoO-600 石墨化程度最高。

圖4 各碳材料的Raman 光譜Fig.4 Raman spectra of the carbon materials

各碳材料的XRD 圖譜如圖5 所示。其中，22°左右出現的特征峰對應為無定形碳的（002）晶面；42.8°、50.2°和73.2°處衍射峰分別對應于Cu 的（111）、（200）和（220）晶面，表明該材料中的納米Cu為典型的面心立方結構；36.5°、43.2°、62.5°和76.5°出現的衍射分別對應于CoO 的（111）、（200）、（220）和（222）晶面，表明該材料中的CoO 同樣為典型的面心立方結構［21］。

圖5 各碳材料的XRD 圖Fig.5 XRD spectra of the carbon materials

以Cu@C@CoO-600 為例研究了碳材料的XPS譜圖，分析材料中各元素的化學環境。圖6（a）為XPS 總譜圖，結合能在285、532、780 eV 和932 eV處的分峰分別歸屬于C 1s、O 1s、Co 2p 和Cu 2p；圖6（b）為C 1s 的擬合峰，其在284.3 eV 和288.3 eV處的分峰分別對應于C=C 和C=O 鍵，285.5 eV處分峰對應于碳的石墨形態（HOPG）；圖6（c）為O 1s 的擬合峰，顯示了該材料中O 的3 種形態，其在529.0、530.5 和531.6 eV 處的分峰分別歸屬于O—Co、O—H 和O—C 鍵；圖6（d）為Co 2p 的擬合峰，Co 元素呈現3種價態，780.0 eV 處對應Co 2p3/2，785.5 eV 處 對 應CoO，795.8 eV 處 對 應Co 2p1/2，802.0 eV 處的分峰為Co 的衛星峰（Sat）；圖6（e）為Cu 2p 的擬合峰，表明該材料中的Cu 以游離態存在，在931.6、933.5、951.5 eV 和953.6 eV 處的分峰分 別 歸 屬 于CuCl（Co（NO3）2·6H2O 和Cu（NO3）2·3H2O 雜質成分中的Cl）、Cu 2p3/2、Cu 2p1和Cu 2p1/2，939.9 和942.9 eV 處的結合能分峰歸屬于Cu 2p3/2的衛星峰（Sat）。以上結果說明，Cu 和Co 在碳材料中是以納米Cu 及納米CoO 的形態存在。

圖6 Cu@C@CoO-600 的XPS 總譜(a)和C 1s(b)、O 1s(c)、Co 2p(d)、Cu 2p(e)的XPS 曲線圖Fig.6 XPS spectrum (a)and XPS plots of C 1s (b), O 1s (c), Co 2p (d), Cu 2p (e)of Cu@C@CoO-600

2.2 材料的電化學性能

圖7（a）為不同電極在PFS 溶液中的EIS 譜圖，圖中曲線不同的高頻區圓弧半徑反映了電子在該電極表面轉移電阻的大小。其中，Cu@C@CoO-600/GCE 的圓弧半徑最小，說明其電阻最小，材料表面電子傳遞速率最快。這可能是由于材料中三維互連的碳殼有效促進了電子的快速遷移，且隨著熱解溫度升高，碳層變薄，電子的遷移速率加快。圖7（b）為不同電極在pH 7.0 的空白PBS 溶液中的CV 曲線。其中，Cu@C@CoO-600/GCE 的界面電容和氧化電流明顯大于GCE，但小于Cu@C@CoO-400/GCE 和Cu@C@CoO-500/GCE。這可能是由于在較低熱解溫度（400、500 ℃）下，Co 被氧化的程度較低，因此在CV 測試中被繼續氧化而表現出較高的氧化電流。Cu@C@CoO-400 和Cu@C@CoO-500 較高的電容則可能源于較低溫度熱解導致較多的碳層殘余量。盡管界面電容較大有利于電子傳輸，但氧化電流過大會干擾傳感器對待測物的檢測效果，因此，結合前文表征結果，選擇Cu@C@CoO-600/GCE 作為BA 的電化學傳感器。

圖7 不同電極在PFS 溶液中的EIS 曲線(a)和在PBS 溶液中的CV 曲線(b)Fig.7 EIS curves (a)in PFS and CV curves (b)in PBS of the different electrodes

2.3 BA 在不同修飾電極上的電化學行為

2.3.1 CV 與DPV 曲 線

圖8 為PBS 溶液（pH 2.0）中不同電極對10.0 μmol/L BA 的CV 曲線（a）和DPV 曲線（b）。圖8（a）中，BA 對GCE 響應電流的氧化還原峰電位差ΔE為0.121 V，而Cu@C@CoO-400/GCE、Cu@C@CoO-500/GCE 和Cu@C@CoO-600/GCE 的ΔE分 別 為0.073、0.066 和0.056 V，表明3 個碳材料都提高了GCE 表面 的電子 轉移速率。 此外，BA 在Cu@C@CoO-600/GCE 表面的氧化還原反應為準可逆反應，根據Laviron 公式［13］計算其反應中的電子交換數n=1，大于其他電極。這歸因于較高熱解溫度下形成的較薄碳層可更好地充當電子傳導的橋梁，而基于兩種金屬納米顆粒間可能形成的局部“電容器”效應，增加了該類材料在電化學測試過程中的電子交換數量［16，17］。

圖8（b）比較了DPV 測試中不同電極對BA 的檢測效果，峰電流Ip的大小代表Cu@C@CoO-600/GCE 對BA 的檢測效果。其中，在熱解溫度較低（400、500 ℃）時，由于Cu@C@CoO 中的PTA 及部分配體未完全碳化，影響了納米金屬對BA 的親和力，因此，Cu@C@CoO-400/GCE 和Cu@C@CoO-500/GCE 對BA 的檢測效果較差；而在熱解溫度較高（600 ℃）時，得益于Cu@C@CoO-600 中碳層更薄且納米金屬顆粒尺寸和分布更均勻，Cu@C@CoO-600/GCE 對BA 表現出最好的檢測效果。

圖8 不同電極對BA 檢測的CV 曲線(a)和DPV 曲線(b)Fig.8 CV curves (a)and DPV curves (b)of BA detected by different electrodes

為探究最佳檢測效果，研究了不同pH 環境（pH=2.0、2.5、3.0、3.5、4.0）對Cu@C@CoO-600/GCE 檢測10.0 μmol/L BA 效果的影響。圖9（a）為不同pH 值的PBS 溶液中Cu@C@CoO-600/GCE 對BA 檢測的DPV 曲線，圖9（b）中反映了電流與pH 值的關系?？梢钥闯?，BA 對Cu@C@CoO-600/GCE 的響應電流值在pH 2.0 的環境中最大，說明在此pH 環境中待測物的活性更強，更易被檢出。此 外，圖9（b）還 反 映 了BA 對Cu@C@CoO-600/GCE 的響應電流所對應峰電勢E與pH 值的關系，其擬合方程為E（V）= 0.57 +0.08 pH，說明有等量的電子和質子參與了電極表面的電化學反應［22］。綜上，選用pH 2.0 的PBS 溶液作為底液。

圖9 不同pH 值的PBS 溶液中Cu@C@CoO-600/GCE 對BA 檢測的DPV 曲線(a)，響應電流及峰電勢與pH 值的關系(b)Fig.9 DPV curves of Cu@C@ COO-600 /GCE for BA detection in PBS solutions with different pH values (a),relationship between potential, current and pH (b)

2.3.3 掃描速率對檢測BA 的影響

圖10（a）和（b）分別為在含10.0 μmol/L BA 的PBS（pH 2.0）中、不同掃描速率下，Cu@C@CoO-600/GCE 的CV 曲線及其線性關系曲線。圖10（a）顯示，在掃描速率為從20 mV/s 增加至500 mV/s時，BA 的氧化峰電流（Ipa）/還原峰電流（Ipc）隨掃描速率的增大而不斷增加，說明此時電化學反應主要受吸附過程影響［22］。 圖10（b）反映出BA 對Cu@C@CoO-600/GCE 的響應電流值與掃描速率呈良好的線性關系。

圖10 不同掃描速率時BA 對Cu@C@CoO-600/GCE 響應的CV 曲線(a)及其關系曲線(b)Fig.10 CV curves of BA response to Cu@C@ COO-600 /GCE at different scanning rates (a)and the linear relation curve (b)1-10：20，40，60，80，100，150，200，300，400，500 mV/s

2.4 方法的標準曲線與檢出限

在最優實驗條件下，將Cu@C@CoO-600/GCE應用于定量分析BA。圖11（a）顯示，BA 的氧化峰電流值隨其含量的增加而不斷增加；對其進行擬合分析（圖11（b）），發現BA 的氧化峰電流值與其濃度在0.005～10 μmol/L 范圍內呈良好的線性關系。根據計算：在0.005～0.5 μmol/L 濃度范圍內，其線性擬合方程為Ip（μA）=41.89c（μmol/L）-0.39（R12=0.99），靈敏度為590 A·（mol/L）-1·cm-2，檢出限為1.32×10-10mol/L；在0.5～10 μmol/L范圍內，其線 性 擬合方程 為Ip（μA）=14.21c（μmol/L）-21.60（R22=0.99），靈敏度為200 A·（mol/L）-1·cm-2，檢出限為0.390 nmol/L。相對于已報道的方法［23～30］（表1），本文所構建的BA 電化學傳感器Cu@C@CoO-600/GCE 具有靈敏度高、檢出限低的優點。

表1 BA 檢測方法對比Table 1 Comparison of different methods for BA determination mol/L

圖11 Cu@C@CoO-600/GCE 檢測BA 的DPV 曲線(a)和對應的標準曲線(b)Fig.11 DPV curves (a)and corresponding standard curve (b)for BA detection by Cu@C@CoO-600/GCE 1-18：0，0.005，0.01，0.02，0.03，0.04，0.05，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，1.0，2.0，4.0，6.0，8.0，10.0 μmol/L BA

2.5 方法的穩定性、重現性和抗干擾能力

研 究 了 Cu@C@CoO-600/GCE 檢 測 10.0 μmol/L BA 的穩定性和重現性。將使用過的Cu@C@CoO-600/GCE 在室溫下放置一周，再次用于檢測BA，響應電流峰值的變化為3.70%；使用一支Cu@C@CoO-600/GCE 重復測定20 次，響應電流峰值的變化為3.20%。這些結果表明該傳感器具有良好的穩定性和重現性。

向10.0 μmol/L BA 溶液中分別加入1 000 倍的K2SO4、NaCl、FeCl3，發現 對BA 的響 應電流峰 值的影響均小于5%；向10.0 μmol/L BA 溶液中分別加入50 倍的葡萄糖，20 倍的丙氨酸、賴氨酸和甘氨酸，對BA 的響應電流峰值的影響均小于5%。上述結果顯示該傳感器具有較好的抗干擾能力。

2.6 實際樣品檢測

考察了Cu@C@CoO-600/GCE 電化學傳感器用于檢測實際樣品的可行性。取2 μL 雙黃連口服液于10 mL 容量瓶中，用PBS 溶液（pH 2.0）定容。由表2 知，向實際樣品溶液中加入標準的BA 溶液后，其回收率為99.23%～101.80%，RSD 均小于5%。

表2 實際樣品中BA 的檢測結果(n=3)Table 2 Determination results of BA in real samples (n=3)

3 結 語

本文采用水熱法合成Cu@Co 雙核MOFs，再將其熱解后修飾到GCE 表面，構建了用于檢測BA 的電化學傳感器。Cu@C@CoO-600 中Cu 和CoO 納米顆粒的尺寸及分布更均勻，碳層能更好地發揮促進電子傳導的作用；納米CoO 對BA 表現出較好的親和力，納米Cu 增強了材料的導電性能。該傳感器在用于BA 的定量分析時，線性范圍較寬且檢出限優于已報道方法，同時具有較好的穩定性、重現性和抗干擾能力，在用于實際樣品檢測時也表現良好。