UiO-67后修饰金属有机框架复合电极的制备及其电分析研究

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亚硝酸钠(NaNO2)是广泛存在于食品和环境系统中的一种无机盐,常作为食品防腐剂和施肥剂。但是亚硝酸钠具有剧毒,人体摄入的致命剂量在8.728.3μM之间,且亚硝酸钠与胺相互作用会形成致癌物质,长期摄入会引起一系列症状甚至导致癌症。因此,对亚硝酸钠含量的检测和监控显得尤为重要。组胺(Histamine,HA)是一种含氮有机小分子,具有生物活性,可以参与人体的局部免疫反应,充当神经递质。然而组胺中毒会导致人体不适甚至多种疾病。因此,对组胺含量的精确、快速检验亦十分重要。如今,电化学传感作为一种灵敏度高、操作简单、成本低廉的检测方法得到众多研究人员的青睐。然而,亚硝酸盐在传统电极上的氧化电位很高,不利于快速、准确地检测。目前检测组胺的电化学传感器主要基于生物酶电极,由于生物酶的价格昂贵、稳定性差、对检测的环境要求苛刻,并且难以固定在电极上,从而限制了酶基电极的实际应用。因此,我们需要开发出新的电化学传感器用于以上物质的分析检验。金属有机框架(MOFs)本质上是由有机配体和金属离子或金属簇之间的配位键形成的多孔扩展固体。由于比表面积大、孔隙率高、结构及性质可调控,在多个领域有广泛应用。但是将MOFs作为电极修饰材料在电化学传感领域的应用却十分有限。本论文以UiO-67-BPY晶体为前驱体,通过后合成修饰(PSM)的方法得到掺杂铜元素的Cu@UiO-67-BPY功能材料,提高UiO-67-BPY的导电性,并与氧化石墨烯(GO)复合,通过电化学还原法制得新型MOFs材料掺杂石墨烯基底修饰电极,在磷酸缓冲液中分别实现对亚硝酸钠(NaNO2)和组胺(HA)的电化学检测,获得良好检测结果,显示出复合电极材料在电化学检测方面的巨大应用潜力。并尝试从复合电极材料的性能和电化学传感的构-效机理上对检测的机理进行解释,为开发新型电化学传感器应用于特异性传感及高精度检测奠定初步的理论基础。本论文的研究内容如下:1.Cu@UiO-67-BPY/EGR/GCE复合材料的的合成与表征首先,我们利用溶剂热法,将氯化锆ZrCl4与2,2′-联吡啶-5,5′-二羧酸配体(H2BPYDC)通过自组装配位构筑得到UiO-67-BPY晶体,再经PSM合成策略与醋酸铜Cu(OAc)2反应,得到铜掺杂的Cu@UiO-67-BPY,显著提高电化学催化活性和材料导电能力。并经PXRD、FT-IR、TGA、SEM、XPS、ICP等表征手段对修饰前后的两种材料分别进行表征。最后,将Cu@UiO-67-BPY均匀分散在氧化石墨烯的悬浮液中,通过涂布法制得Cu@UiO-67-BPY/GO/GCE修饰电极,在-1.5V1.0 V的连续循环伏安(CV)扫描将GO电还原为导电性更高的还原氧化石墨烯EGR,最终得到Cu@UiO-67-BPY/EGR/GCE复合电极。通过循环伏安法探究了目标电极对铁氰化钾的电催化活性;通过电化学交流阻抗技术(EIS)比较了裸玻碳电极GCE和不同修饰电极EGR/GCE、Cu@UiO-67-BPY/GCE、Cu@UiO-67-BPY/EGR/GCE的导电性和电子转移现象,说明复合材料中Cu@UiO-67-BPY与ERG对铁氰化钾的电化学响应有协同增强作用,为后继开展对复合电极材料的应用研究奠定了理论基础。2.Cu@UiO-67-BPY/EGR/GCE对亚硝酸钠的电化学检测以复合修饰电极材料Cu@UiO-67-BPY/EGR/GCE为工作电极,研究其对亚硝酸钠的电化学响应,构建一种氧化石墨烯与Cu掺杂的MOF材料复合型电化学传感器,因其兼具MOFs材料的特征及功能性,以及石墨烯的高导电性,能显著提高亚硝酸钠的氧化峰电流,并降低氧化电位,对亚硝酸盐表现出良好的电催化效果。随后还研究了电解质溶液(PBS)的pH值、扫描速率等对亚硝酸钠的氧化峰电流、峰电位的影响,筛选最佳的反应条件。最后通过差分脉冲伏安法(DPV)对溶液中的亚硝酸钠进行定量检测,其氧化峰电流与亚硝酸钠浓度在10-6000μM之间呈现良好的线性关系:Ipa=-0.0062 CNaNO2-7.2305(R2=0.998),检测限(S/N=3)低至1.2μM。此外,该修饰电极Cu@UiO-67-BPY/EGR/GCE检测亚硝酸钠具有良好的稳定性、可重复性、抗干扰性,并可成功用于实际样品中亚硝酸盐的测定。3.Cu@UiO-67-BPY/EGR/GCE对组胺的电化学检测组胺是生物内源性活性物质,作为神经递质的一种,和许多生理、病理活动密切相关。对生物体内组胺的高精度检测,有助于探讨神经系统多种生理病理机制。本章我们以Cu@UiO-67-BPY/EGR/GCE为电极,构建免标记电化学免疫传感器高灵敏检测组胺的新技术。通过差分脉冲伏安法研究了Cu@UiO-67-BPY/EGR/GCE电极上组胺的电响应信号。并探究了电解质溶液的pH值对底物的氧化还原峰电流强度(Ipa)、峰电位(Epa)的影响,确定最佳反应条件。此外,还利用差分脉冲伏安法对组胺进行了特异性高灵敏度检测。实验结果表明,该电化学传感器检测组胺的线性范围在0-100μM之间,方程为Ip=0.122Chistamine+11.695(R2=0.998),检测限(LOD)低至0.595μM,灵敏度为11.791mA·mM-1·cm-2(S/N=3)。且能应用于人体尿样的实际检测。研究表明该复合材料构筑的电化学传感器由于具有协同增强效应,对组胺的检测稳定性和重现性好,并具有良好的选择性和抗干扰性,有望发展成为快速检测生物体内组胺的新型电化学传感器。
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