基于CeO2/V2CTx 納米復合材料的電化學傳感器用于羥基自由基的檢測

靖碩碩, 姚 宇, 丁亞新, 趙雪伶,b,c,d

(上海第二工業大學a. 能源與材料學院;b. 上海先進熱功能材料工程技術研究中心;c. 上海市工程材料應用與評價重點實驗室;d. 上海市熱物性大數據專業技術服務平臺,上海 201209)

0 引言

活性氧(reactive oxygen species,ROS)在人類各種疾病的發病機制中起著重要的調節作用,其內在的生化特性機制在調節生物體的生長過程中起著關鍵作用。ROS 是一類存在于人體內且性質活潑的含氧物質總稱, 它不僅包括自由基分子, 如超氧陰離子自由基(O?2·)、羥基自由基(·OH)、氫過氧自由基(HO2·) 和烷氧基自由基(RO·), 還包括非自由基分子, 如過氧化氫(H2O2)、過氧化脂質(ROOH)和單線態氧(1O2)[1]。在種類豐富的ROS 中,·OH 是最具活性的自由基之一,對其檢測尤具挑戰性[2]。

現有5 種直接或間接檢測·OH 的方法: 化學反應法、分光光度法、電子自旋共振法、化學發光測定法和熒光光度法。但這些方法存在設備昂貴、樣品制備繁瑣、靈敏度較低和定量不精確等問題[3],其測量過程中需要恒定濃度的·OH 才能得到準確的結果?！H 的半衰期短, 因此很難得到可靠的測量結果[4]。

電化學方法檢測·OH 具有操作簡單、響應速度快、靈敏度高、不需要指示化合物、傳感器小型化和經濟可行性等優點。為了實現高靈敏度檢測低濃度·OH 的目的,各種用于檢測·OH 的電化學傳感技術被廣泛提出,主要分為有機和無機2 種?；谟袡C物的電化學傳感器使用DNA[5]、導電聚合物[6]和有機分子[7]等組件。無機方法使用金屬氧化物納米粒子[8]和碳基材料[9]等組件。最常見的檢測·OH的電化學傳感器是將有機元素固定在電極表面以充當·OH 的傳感元件。使用有機材料作為傳感元件的想法源于這樣一個事實,即其很容易被·OH 的氧化反應直接損壞進而產生電信號[10]。但是由于其在惡劣和極端環境中容易降解,導致基于有機材料的電化學傳感器的穩定性和重復性很差,迫使它們只能在有限的情況下運行。

如上所述,為了解決有機分子作為傳感元件在電化學傳感器中穩定使用的困難,Duanghathaipornsuk 等[11]通過換用無機材料作為傳感元件來克服, 并開發了一種二氧化鈰(CeO2)/氧化石墨烯復合材料。CeO2作為傳感材料最重要的是利用氧空位(oxygen vacancy,OV)機制調控自身的催化活性,CeO2中暴露的表面OV 作為反應位點可以與·OH反應使Ce3+生成Ce4+, 進而促進氧化還原循環,以此來提高反應的催化活性。在氧化還原循環中,CeO2可以在Ce4+和Ce3+的氧化態之間交替,因此可以通過傳輸電信號來監測與·OH 的反應[12]。

由于CeO2導電性較差, 雖然很多研究人員將其與高導電性和大表面積的二維碳基材料結合,但是,CeO2在基底材料上的分散性和穩定性仍然很難同時實現[13]。MXene 是一種新型的多功能過渡金屬碳化物和碳氮化物,具有原子層厚度的二維(2D)結構、高電導率和層可調特性[14]。其結構中的原子層數較少的V2CTx(V2C 為3 個原子層,Ti3C2為5 個原子層), 更具化學活性, 且過渡金屬釩(V) 具有多種氧化態[15]。它的表面具有豐富的官能團如—OH、—O 和—F 等, 這使得·OH 能夠被快速吸附[16], 引發具有雙重氧化態(即Ce3+和Ce4+) 的CeO2的催化活性并產生電化學反應信號。另外,具有高導電性和可調節的2D 層狀結構的V2CTx還為質子連續的長距離轉移提供了途徑。

本文利用V2CTx納米片的電負性與帶正電的CeO2顆粒進行自組裝, 通過簡單的超聲方法成功合成了CeO2/V2CTx復合材料, 并將其用于構建檢測·OH 的電化學傳感器。該傳感器對10 mmol/L·OH 的氧化還原峰處的電流差為180μA, 與原始V2CTx基傳感器(80μA)相比提高了100μA。此外,該電化學傳感器對·OH 的檢測有優異的重現性和良好的選擇性、較寬的線性范圍(0.3～6 mmol/L)和較低的檢測限(limit of detection,LOD)0.48μmol/L,為制備新型的高性能·OH 檢測傳感器提供了一條有效途徑。

1 實驗部分

1.1 材料和化學藥劑

V2AlC 粉末(400 目, 吉林一一科技有限公司);氟化鈉(NaF, 99.9%, 上海阿拉丁有限公司); 六水合硝酸鈰(Ce(NO3)3·6H2O,99%)、四甲基氫氧化銨(tetramethyl ammonium hydroxide, TMAOH, 質量百分比為40%)、七水硫酸鐵(II)(FeSO4·7H2O,≥99%),國藥化學試劑有限公司。氫氧化鈉(NaOH, 98%)、過氧化氫水溶液(H2O2,質量百分比為30%)和鹽酸(HCl, 質量百分比為37%), 均購于上海泰坦化學試劑有限公司。以上所有化學品均為分析純,使用時無需純化處理。

1.2 V2CTx 材料的制備

采用水熱法制備V2CTx,將1.5 g NaF 與30 mL HCl、30 mL 去離子水倒入聚四氟乙烯內襯(100 mL)中攪拌10 min,之后將1.5 g V2AlC 少量多次加入其中, 最后將內襯放入反應釜中將蓋擰緊, 放入水熱箱中90 ℃反應5 d[17]。收集溶液并離心,直到溶液pH 為中性,得到多層V2CTx(ML-V2CTx)。TMAOH的分層方案如下: 將上述刻蝕的ML-V2CTx粉末添加到20 mL 質量百分比為5%的TMAOH 水溶液中,并在室溫下以400 r/min 的速度攪拌溶液6 h。收集溶液并離心數次,將得到的沉淀置于60 ℃的真空干燥箱內干燥,得到的即為少層V2CTx(FL-V2CTx)。

1.3 CeO2 納米顆粒的制備

采用水熱法制備 CeO2納米顆粒, 取9.6 g NaOH, 40 mL H2O 攪拌1 h, 將0.868 g Ce(NO3)3·6H2O 加入其中, 放到反應釜中180 ℃、24 h, 收集溶液離心(8000 r/min, 5 min),并用去離子水和無水乙醇交替洗滌6 次,之后放入真空干燥箱中干燥過夜,得到CeO2樣品。

1.4 CeO2/V2CTx 復合材料的制備

CeO2/V2CTx復合材料通過超聲方法合成如圖1 所示, 將100 mg V2CTx納米薄片完全溶解在50 mL 去離子水中并超聲處理0.5 h, 以獲得2 mg/mL 的分散體。隨后, 將不同量的CeO2納米顆粒(70、50、30 mg) 添加到上述分散體中,然后在22 kHz 的頻率和150 W 的功率下進行超聲處理3 h。離心并用去離子水洗滌數次后收集得到CeO2/V2CTx復合材料樣品。得到的樣品分別標記為CeO2/V2CTx-70、CeO2/V2CTx-50 和CeO2/V2CTx-30。

圖1 基于CeO2/V2CTx 納米復合材料的電化學傳感器制備示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation of electrochemical sensor based on CeO2/V2CTx nanocomposite

1.5 納米材料修飾電極的制作

為了獲得1.0 mg/mL 懸浮液修飾的玻碳電極(glassy carbon electrode, GCE), 將1.0 mg 干燥的CeO2/V2CTx納米復合材料溶解在980 μL 乙醇和20μL Nafion 的預混合溶液中。將溶液超聲處理1 h并使用微量移液器重復2 次輸送單滴(3 μL) 分散液將其沉積到工作電極上,并在室溫下干燥1 h。最后,分別用同樣的方法制備純CeO2和V2CTx修飾的GCE 進行比較。

1.6 電化學測試

循環伏安法(cyclic voltammetry, CV) 用于確認復合材料在電極表面的存在。為CV 選擇的電位范圍為?0.8～0.8 V, 掃描速率為100 mV/s,在含5 mmol/L [Fe(CN)6]3?/4?和0.1 mol/L KCl 的0.1 mol/L 磷酸鹽緩沖溶液(PBS, pH = 7.4) 中進行測試。Fenton 反應用于生成·OH, 通過混合等體積的10 mmol/L H2O2和FeSO4·7H2O 溶液,Fenton 反應通過在Fe2+離子存在下還原H2O2產生·OH,然后將復合修飾電極插入Fenton 反應中用于電化學測試[18]。CV 的第1 個循環使用H2O2溶液進行, 之后將電極從溶液中取出, 加入等體積的10 mmol/L FeSO4·7H2O 溶液以生成·OH。將電極再次浸入溶液中以檢測·OH 的存在,選擇的電位范圍為?0.4～0.6 V。差分脈沖伏安法(differential pulse voltammetry,DPV)測試環境在相同條件下進行。

1.7 材料結構表征測試

利用X 射線衍射儀(XRD,D8 Advance,德國布魯克公司) 對材料晶體結構進行測試; 采用掃描電子顯微鏡(SEM, S-4800, 日本日立公司, 加速電壓15 kV),對V2CTx、CeO2和CeO2/V2CTx樣品的形貌進行分析; 連接到SEM 的能量色散X 射線光譜儀(EDS, Quantax75, 日本日立公司) 用于確定晶體中元素的分布。通過傅立葉變換紅外光譜(FT-IR,Spectrum Two,美國Perkin Elmer 公司),使用溴化鉀粉末研磨壓成片, 分析樣品的化學鍵振動。所有電化學測試均在電化學工作站(CHI760e,上海辰華儀器公司)上采用傳統三電極系統在相應的環境條件下進行。

2 結果與討論

2.1 材料表征

合成樣品V2AlC、V2CTx、CeO2和CeO2/V2CTx的XRD 圖譜如圖2 所示。V2CTx與V2AlC相比, 圖中(002) 和(103) 晶面的獨特峰是成功制備V2CTx的證據?？涛g得到的V2CTx衍射峰(002)相較于V2AlC 角度減小, 且整體向左發生了偏移,(002) 晶面從V2AlC 中的13.44?偏移到V2CTx中的8.98?, 造成這一結果的原因可能是表面Al 層被腐蝕后, 層間會引入一些原子團, 使得層間距變大。V2CTx的(103) 晶面幾乎消失, 歸因于V2AlC中Al 的特征峰大大減弱, Al 層被腐蝕剝離, 得到了數層的V2CT[19]x。CeO2的衍射峰符合CeO2標準的結構(PDF#43-1002), 在28.5?、33.0?、47.4?和56.3?處檢測到的峰可以識別為(111)、(200)、(220)和(311)4 個晶面[20]。在XRD 圖譜中未檢測到CeO2/V2CTx強衍射峰。V2CTx的衍射峰幾乎消失了, CeO2/V2CTx復合材料的XRD 圖譜更多地與CeO2的衍射峰對應, 表明CeO2成功地附著在V2CTx上。

圖2 V2AlC、V2CTx、CeO2 和CeO2/V2CTx 的XRD 圖譜Fig.2 XRD patterns of V2AlC, V2CTx, CeO2 and CeO2/V2CTx

通過FT-IR 進一步探討CeO2/V2CTx的結構和組成。如圖3 所示, 3420 cm?1處的紅外吸收峰對應著—OH 的伸縮振動峰, 說明刻蝕后的V2CTx結構中的Al 的位置被—OH 取代; 1630 cm?1處的紅外吸收峰是對應刻蝕過程中氧化生成的羰基(C==O) 的伸縮振動峰; 因此, 說明V2AlC 成功刻蝕為V2CT[21]x。通常, 無機化合物(尤其是氧化物)的FT-IR 光譜峰范圍低于800 cm?1[22]。627 cm?1處的紅外吸收峰, 對應著CeO2中Ce—O 的伸縮振動峰, 且在627 cm?1處的紅外吸收峰復合材料CeO2/V2CTx相對于CeO2的伸縮振動峰強度變弱,說明復合材料制備成功。

圖3 CeO2 和CeO2/V2CTx 納米復合材料的FT-IR 光譜Fig.3 FT-IR spectra of CeO2 and CeO2/V2CTx nanocomposites

采用溫和安全的“原位生成HF 刻蝕法” 刻蝕得到高純度的ML-V2CTx之后進行插層得到的FLV2CTx的SEM 圖像如圖4(a)所示,FL-V2CTx具有層狀結構,表面光滑,層間距約為160 nm。圖4(b)展示了小尺寸CeO2納米顆粒的SEM 圖像,這些CeO2納米顆粒的平均直徑約為100～200 nm。CeO2緊密均勻地負載在V2CTx的表面和層之間(圖4(c)),增大了V2CTx的層間距。因此,V2CTx表面層變得更厚更粗糙。如圖4(d)～(i)所示,通過EDS 分析測定CeO2/V2CTx樣品中Ce、O、V、Al 和C 的元素分布。Ce 的分布是均勻的, 表明CeO2納米顆粒是均勻分布的。

圖4 (a)FL-V2CTx、(b)CeO2、(c)CeO2/V2CTx 的SEM 圖像;(d～i)CeO2/V2CTx 的EDS 圖譜Fig.4 SEM images of(a)FL-V2CTx,(b)CeO2 and(c)CeO2/V2CTx;(d～i)EDS spectra of CeO2/V2CTx

2.2 電化學測試性能分析

為了探討CeO2含量對CeO2/V2CTx復合材料傳感器對·OH 傳感性能的影響, 比較了不同CeO2含量的復合傳感器在相同電位差下對10 mmol/L·OH 的傳感性能, CeO2/V2CTx傳感器檢測·OH 的示意圖如圖5 所示。CV 測試用于分析不同電極對·OH 的傳感響應,圖6(a)可見H2O2的CV 曲線沒有顯示出明顯的氧化還原峰, 這證明了CeO2/V2CTx修飾電極與H2O2之間沒有明顯的氧化還原反應,而與·OH 之間表現出較高的靈敏度。對于所有修飾電極, 除裸露的GCE (無響應) 外, CeO2、V2CTx和不同比例CeO2/V2CTx復合材料均出現氧化還原峰。圖6(b)可見CeO2沒有明顯的峰出現,而V2CTx與CeO2/V2CTx復合材料類似均在0.57 V 和0.34 V出現相應的陽極峰電位(Epa)和陰極峰電位(Epc)。結合此現象說明以上結果歸功于V2CTx的優異傳感性能:V2CTx的豐富官能團使得·OH 能夠快速吸附[23],從而引發具有雙重氧化態(即Ce3+和Ce4+)的CeO2,其中Ce3+被認為是檢測·OH 的活性位點,進而起到催化活性并產生電化學反應信號[24],具有高導電性和可調節的2D 層狀結構的V2CTx為質子的長距離連續轉移提供了途徑。

圖5 CeO2/V2CTx 傳感器檢測·OH 的示意圖Fig.5 Schematic diagram of CeO2/V2CTx sensor detection·OH

圖6 (a)CeO2/V2CTx-50 傳感器分別對10 mmol/L·OH 和10 mmol/L H2O2 的CV 曲線;(b)CeO2、V2CTx 和CeO2/V2CTx 在10 mmol/L·OH 下的CV 響應曲線Fig.6 (a)CV curves of CeO2/V2CTx-50 sensor for 10 mmol/L·OH and 10 mmol/L H2O2 respectively;(b)response curves of CeO2,V2CTx and CeO2/V2CTx at 10 mmol/L·OH

如圖6(b)所示,原始的CeO2、V2CTx傳感器均出現氧化還原峰且V2CTx的氧化還原響應更加明顯,這與文獻[11]中的描述一致。樣品中響應最高的電極是CeO2/V2CTx-50 修飾電極,比原始V2CTx修飾電極響應明顯提高, 表明CeO2納米顆粒顯著增強了對·OH 的響應。CeO2/V2CTx修飾電極響應對CeO2含量的依賴性進一步呈現在圖6(b)中。隨著CeO2含量的增加, 對·OH 的響應增加, 并在50 mg CeO2含量下獲得優化的峰響應值最高。隨著復合材料中CeO2的含量持續增加至70 mg 時,對·OH 的響應反而降低。這些現象表明,適當添加CeO2納米顆?？梢燥@著改善V2CTx對·OH 的響應; 過量的CeO2會改變復合材料修飾電極的傳感性能,阻礙復合材料與·OH 分子之間的相互作用,從而降低復合材料修飾電極的響應。

為了驗證CeO2/V2CTx-50 對·OH 檢測的最佳性能, 以及確定·OH 的LOD。由Fenton 反應產生的·OH,在0.3 mmol/L 和6.0 mmol/L 濃度變化范圍內記錄了DPV 曲線。盡管CV 和DPV 技術均有作用,但DPV 仍然是用于定量的優選分析方法,因為在脈沖技術的情況下充電電流的干擾較小[25]。此外,與CV 相比,DPV 研究顯示電化學信號隨濃度變化的變化非常明顯。由于其高度不穩定性和快速解離[26]等誤差干擾導致了峰值電流對應的峰值電勢也會有一定的移動。如圖7(a)所示,DPV 信號顯示隨著加入·OH 濃度的增大,CeO2/V2CTx-50 修飾電極在同一電勢下對應的電流響應I也顯著增加,進而DPV 曲線得到·OH 濃度與傳感響應的函數,揭示了隨著·OH 濃度的增加進而電流也逐漸增加,·OH濃度為0.3～6.0 mmol/L 時,擬合曲線有良好的線性相關性如圖7(b)所示,LOD 為0.48μmol/L。在低濃度下(0.3～1.0 mmol/L) 得到的DPV 曲線得到的回歸方程表示為

圖7 (a) ·OH 的濃度在0.3 mmol/L 和6.0 mmol/L 之間的CeO2/V2CTx 傳感器DPV 曲線;(b)響應濃度對應峰值電流線性擬合曲線Fig.7 (a) DPV curves of CeO2/ V2CTx sensor between ·OH concentration between 0.3 mmol/L and 6.0 mmol/L;(b)Linear fitting curve of response concentration corresponding to peak current

在高濃度下(1.0～6.0 mmol/L) 得到的DPV 曲線得到的回歸方程表示為

選擇性是決定電化學ROS 傳感器在生物系統中的適用性的主要因素之一?？紤]到檢測環境的復雜性,研究了常見的內源性干擾物質對CeO2/V2CTx電化學性能的影響。分別添加1 mmol/L 的尿酸(uric acid,UA)、多巴胺(dopamine,DA)、·OH、葡萄糖(glucose,GLU)和H2O2的試樣進行選擇性測試。圖8 所示為CeO2/V2CTx修飾電極對1 mmol/L·OH和1 mmol/L 其他干擾物質的響應電流?？梢钥闯?當加入UA、DA、GLU 和H2O2時,CeO2/V2CTx修飾電極的響應電流遠小于其對·OH 的響應電流,說明CeO2/V2CTx電極對·OH 的檢測具有良好的選擇性。

圖8 CeO2/V2CTx 傳感器在PBS(pH=7.4)中對1 mmol/L的·OH、UA、DA、GLU、H2O2 的單個干擾物質的電流響應Fig.8 Current response of CeO2/V2CTx sensor to a single interfering substance of 1 mmol/L·OH,UA,DA,GLU,H2O2 in PBS(pH=7.4)

3 結論

以V2AlC 為原料通過刻蝕插層得到少層V2CTx, 將不同含量的CeO2與少層V2CTx通過簡單的超聲處理方法成功合成了CeO2/V2CTx納米復合材料,并對其進行結構表征和電化學性能測試。通過多次重復實驗可知,隨著CeO2的含量增加,傳感器的傳感性能也隨之增大,這歸因于CeO2的優異催化活性致使電化學活性較高; 然而隨著CeO2的過量加入,傳感器的傳感性能降低,這歸因于過量的CeO2使材料的導電性能變差,致使傳感器的電化學性能降低。CeO2與V2CTx的協同作用,使其成為獨特的電極修飾材料,所制備的電化學傳感器可以與·OH 顯示出特定的信號。CeO2/V2CTx電化學傳感器對·OH 的檢測具有良好的選擇性、較寬的線性范圍(0.3～6.0 mmol/L) 和較低的LOD (0.48μmol/L)?？梢宰C明此傳感器在實際應用中具有相當大的應用前景。