基于CeO2/V2CTx 纳米复合材料的电化学传感器用于羟基自由基的检测

靖硕硕, 姚 宇, 丁亚新, 赵雪伶,b,c,d

(上海第二工业大学a. 能源与材料学院;b. 上海先进热功能材料工程技术研究中心;c. 上海市工程材料应用与评价重点实验室;d. 上海市热物性大数据专业技术服务平台,上海 201209)

0 引言

活性氧(reactive oxygen species,ROS)在人类各种疾病的发病机制中起着重要的调节作用,其内在的生化特性机制在调节生物体的生长过程中起着关键作用。ROS 是一类存在于人体内且性质活泼的含氧物质总称, 它不仅包括自由基分子, 如超氧阴离子自由基(O−2·)、羟基自由基(·OH)、氢过氧自由基(HO2·) 和烷氧基自由基(RO·), 还包括非自由基分子, 如过氧化氢(H2O2)、过氧化脂质(ROOH)和单线态氧(1O2)[1]。在种类丰富的ROS 中,·OH 是最具活性的自由基之一,对其检测尤具挑战性[2]。

现有5 种直接或间接检测·OH 的方法: 化学反应法、分光光度法、电子自旋共振法、化学发光测定法和荧光光度法。但这些方法存在设备昂贵、样品制备繁琐、灵敏度较低和定量不精确等问题[3],其测量过程中需要恒定浓度的·OH 才能得到准确的结果。·OH 的半衰期短, 因此很难得到可靠的测量结果[4]。

电化学方法检测·OH 具有操作简单、响应速度快、灵敏度高、不需要指示化合物、传感器小型化和经济可行性等优点。为了实现高灵敏度检测低浓度·OH 的目的,各种用于检测·OH 的电化学传感技术被广泛提出,主要分为有机和无机2 种。基于有机物的电化学传感器使用DNA[5]、导电聚合物[6]和有机分子[7]等组件。无机方法使用金属氧化物纳米粒子[8]和碳基材料[9]等组件。最常见的检测·OH的电化学传感器是将有机元素固定在电极表面以充当·OH 的传感元件。使用有机材料作为传感元件的想法源于这样一个事实,即其很容易被·OH 的氧化反应直接损坏进而产生电信号[10]。但是由于其在恶劣和极端环境中容易降解,导致基于有机材料的电化学传感器的稳定性和重复性很差,迫使它们只能在有限的情况下运行。

如上所述,为了解决有机分子作为传感元件在电化学传感器中稳定使用的困难,Duanghathaipornsuk 等[11]通过换用无机材料作为传感元件来克服, 并开发了一种二氧化铈(CeO2)/氧化石墨烯复合材料。CeO2作为传感材料最重要的是利用氧空位(oxygen vacancy,OV)机制调控自身的催化活性,CeO2中暴露的表面OV 作为反应位点可以与·OH反应使Ce3+生成Ce4+, 进而促进氧化还原循环,以此来提高反应的催化活性。在氧化还原循环中,CeO2可以在Ce4+和Ce3+的氧化态之间交替,因此可以通过传输电信号来监测与·OH 的反应[12]。

由于CeO2导电性较差, 虽然很多研究人员将其与高导电性和大表面积的二维碳基材料结合,但是,CeO2在基底材料上的分散性和稳定性仍然很难同时实现[13]。MXene 是一种新型的多功能过渡金属碳化物和碳氮化物,具有原子层厚度的二维(2D)结构、高电导率和层可调特性[14]。其结构中的原子层数较少的V2CTx(V2C 为3 个原子层,Ti3C2为5 个原子层), 更具化学活性, 且过渡金属钒(V) 具有多种氧化态[15]。它的表面具有丰富的官能团如—OH、—O 和—F 等, 这使得·OH 能够被快速吸附[16], 引发具有双重氧化态(即Ce3+和Ce4+) 的CeO2的催化活性并产生电化学反应信号。另外,具有高导电性和可调节的2D 层状结构的V2CTx还为质子连续的长距离转移提供了途径。

本文利用V2CTx纳米片的电负性与带正电的CeO2颗粒进行自组装, 通过简单的超声方法成功合成了CeO2/V2CTx复合材料, 并将其用于构建检测·OH 的电化学传感器。该传感器对10 mmol/L·OH 的氧化还原峰处的电流差为180µA, 与原始V2CTx基传感器(80µA)相比提高了100µA。此外,该电化学传感器对·OH 的检测有优异的重现性和良好的选择性、较宽的线性范围(0.3∼6 mmol/L)和较低的检测限(limit of detection,LOD)0.48µmol/L,为制备新型的高性能·OH 检测传感器提供了一条有效途径。

1 实验部分

1.1 材料和化学药剂

V2AlC 粉末(400 目, 吉林一一科技有限公司);氟化钠(NaF, 99.9%, 上海阿拉丁有限公司); 六水合硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O,99%)、四甲基氢氧化铵(tetramethyl ammonium hydroxide, TMAOH, 质量百分比为40%)、七水硫酸铁(II)(FeSO4·7H2O,≥99%),国药化学试剂有限公司。氢氧化钠(NaOH, 98%)、过氧化氢水溶液(H2O2,质量百分比为30%)和盐酸(HCl, 质量百分比为37%), 均购于上海泰坦化学试剂有限公司。以上所有化学品均为分析纯,使用时无需纯化处理。

1.2 V2CTx 材料的制备

采用水热法制备V2CTx,将1.5 g NaF 与30 mL HCl、30 mL 去离子水倒入聚四氟乙烯内衬(100 mL)中搅拌10 min,之后将1.5 g V2AlC 少量多次加入其中, 最后将内衬放入反应釜中将盖拧紧, 放入水热箱中90 ℃反应5 d[17]。收集溶液并离心,直到溶液pH 为中性,得到多层V2CTx(ML-V2CTx)。TMAOH的分层方案如下: 将上述刻蚀的ML-V2CTx粉末添加到20 mL 质量百分比为5%的TMAOH 水溶液中,并在室温下以400 r/min 的速度搅拌溶液6 h。收集溶液并离心数次,将得到的沉淀置于60 ℃的真空干燥箱内干燥,得到的即为少层V2CTx(FL-V2CTx)。

1.3 CeO2 纳米颗粒的制备

采用水热法制备 CeO2纳米颗粒, 取9.6 g NaOH, 40 mL H2O 搅拌1 h, 将0.868 g Ce(NO3)3·6H2O 加入其中, 放到反应釜中180 ℃、24 h, 收集溶液离心(8000 r/min, 5 min),并用去离子水和无水乙醇交替洗涤6 次,之后放入真空干燥箱中干燥过夜,得到CeO2样品。

1.4 CeO2/V2CTx 复合材料的制备

CeO2/V2CTx复合材料通过超声方法合成如图1 所示, 将100 mg V2CTx纳米薄片完全溶解在50 mL 去离子水中并超声处理0.5 h, 以获得2 mg/mL 的分散体。随后, 将不同量的CeO2纳米颗粒(70、50、30 mg) 添加到上述分散体中,然后在22 kHz 的频率和150 W 的功率下进行超声处理3 h。离心并用去离子水洗涤数次后收集得到CeO2/V2CTx复合材料样品。得到的样品分别标记为CeO2/V2CTx-70、CeO2/V2CTx-50 和CeO2/V2CTx-30。

图1 基于CeO2/V2CTx 纳米复合材料的电化学传感器制备示意图Fig.1 Schematic diagram of preparation of electrochemical sensor based on CeO2/V2CTx nanocomposite

1.5 纳米材料修饰电极的制作

为了获得1.0 mg/mL 悬浮液修饰的玻碳电极(glassy carbon electrode, GCE), 将1.0 mg 干燥的CeO2/V2CTx纳米复合材料溶解在980 µL 乙醇和20µL Nafion 的预混合溶液中。将溶液超声处理1 h并使用微量移液器重复2 次输送单滴(3 µL) 分散液将其沉积到工作电极上,并在室温下干燥1 h。最后,分别用同样的方法制备纯CeO2和V2CTx修饰的GCE 进行比较。

1.6 电化学测试

循环伏安法(cyclic voltammetry, CV) 用于确认复合材料在电极表面的存在。为CV 选择的电位范围为−0.8∼0.8 V, 扫描速率为100 mV/s,在含5 mmol/L [Fe(CN)6]3−/4−和0.1 mol/L KCl 的0.1 mol/L 磷酸盐缓冲溶液(PBS, pH = 7.4) 中进行测试。Fenton 反应用于生成·OH, 通过混合等体积的10 mmol/L H2O2和FeSO4·7H2O 溶液,Fenton 反应通过在Fe2+离子存在下还原H2O2产生·OH,然后将复合修饰电极插入Fenton 反应中用于电化学测试[18]。CV 的第1 个循环使用H2O2溶液进行, 之后将电极从溶液中取出, 加入等体积的10 mmol/L FeSO4·7H2O 溶液以生成·OH。将电极再次浸入溶液中以检测·OH 的存在,选择的电位范围为−0.4∼0.6 V。差分脉冲伏安法(differential pulse voltammetry,DPV)测试环境在相同条件下进行。

1.7 材料结构表征测试

利用X 射线衍射仪(XRD,D8 Advance,德国布鲁克公司) 对材料晶体结构进行测试; 采用扫描电子显微镜(SEM, S-4800, 日本日立公司, 加速电压15 kV),对V2CTx、CeO2和CeO2/V2CTx样品的形貌进行分析; 连接到SEM 的能量色散X 射线光谱仪(EDS, Quantax75, 日本日立公司) 用于确定晶体中元素的分布。通过傅立叶变换红外光谱(FT-IR,Spectrum Two,美国Perkin Elmer 公司),使用溴化钾粉末研磨压成片, 分析样品的化学键振动。所有电化学测试均在电化学工作站(CHI760e,上海辰华仪器公司)上采用传统三电极系统在相应的环境条件下进行。

2 结果与讨论

2.1 材料表征

合成样品V2AlC、V2CTx、CeO2和CeO2/V2CTx的XRD 图谱如图2 所示。V2CTx与V2AlC相比, 图中(002) 和(103) 晶面的独特峰是成功制备V2CTx的证据。刻蚀得到的V2CTx衍射峰(002)相较于V2AlC 角度减小, 且整体向左发生了偏移,(002) 晶面从V2AlC 中的13.44◦偏移到V2CTx中的8.98◦, 造成这一结果的原因可能是表面Al 层被腐蚀后, 层间会引入一些原子团, 使得层间距变大。V2CTx的(103) 晶面几乎消失, 归因于V2AlC中Al 的特征峰大大减弱, Al 层被腐蚀剥离, 得到了数层的V2CT[19]x。CeO2的衍射峰符合CeO2标准的结构(PDF#43-1002), 在28.5◦、33.0◦、47.4◦和56.3◦处检测到的峰可以识别为(111)、(200)、(220)和(311)4 个晶面[20]。在XRD 图谱中未检测到CeO2/V2CTx强衍射峰。V2CTx的衍射峰几乎消失了, CeO2/V2CTx复合材料的XRD 图谱更多地与CeO2的衍射峰对应, 表明CeO2成功地附着在V2CTx上。

图2 V2AlC、V2CTx、CeO2 和CeO2/V2CTx 的XRD 图谱Fig.2 XRD patterns of V2AlC, V2CTx, CeO2 and CeO2/V2CTx

通过FT-IR 进一步探讨CeO2/V2CTx的结构和组成。如图3 所示, 3420 cm−1处的红外吸收峰对应着—OH 的伸缩振动峰, 说明刻蚀后的V2CTx结构中的Al 的位置被—OH 取代; 1630 cm−1处的红外吸收峰是对应刻蚀过程中氧化生成的羰基(C==O) 的伸缩振动峰; 因此, 说明V2AlC 成功刻蚀为V2CT[21]x。通常, 无机化合物(尤其是氧化物)的FT-IR 光谱峰范围低于800 cm−1[22]。627 cm−1处的红外吸收峰, 对应着CeO2中Ce—O 的伸缩振动峰, 且在627 cm−1处的红外吸收峰复合材料CeO2/V2CTx相对于CeO2的伸缩振动峰强度变弱,说明复合材料制备成功。

图3 CeO2 和CeO2/V2CTx 纳米复合材料的FT-IR 光谱Fig.3 FT-IR spectra of CeO2 and CeO2/V2CTx nanocomposites

采用温和安全的“原位生成HF 刻蚀法” 刻蚀得到高纯度的ML-V2CTx之后进行插层得到的FLV2CTx的SEM 图像如图4(a)所示,FL-V2CTx具有层状结构,表面光滑,层间距约为160 nm。图4(b)展示了小尺寸CeO2纳米颗粒的SEM 图像,这些CeO2纳米颗粒的平均直径约为100∼200 nm。CeO2紧密均匀地负载在V2CTx的表面和层之间(图4(c)),增大了V2CTx的层间距。因此,V2CTx表面层变得更厚更粗糙。如图4(d)∼(i)所示,通过EDS 分析测定CeO2/V2CTx样品中Ce、O、V、Al 和C 的元素分布。Ce 的分布是均匀的, 表明CeO2纳米颗粒是均匀分布的。

图4 (a)FL-V2CTx、(b)CeO2、(c)CeO2/V2CTx 的SEM 图像;(d∼i)CeO2/V2CTx 的EDS 图谱Fig.4 SEM images of(a)FL-V2CTx,(b)CeO2 and(c)CeO2/V2CTx;(d∼i)EDS spectra of CeO2/V2CTx

2.2 电化学测试性能分析

为了探讨CeO2含量对CeO2/V2CTx复合材料传感器对·OH 传感性能的影响, 比较了不同CeO2含量的复合传感器在相同电位差下对10 mmol/L·OH 的传感性能, CeO2/V2CTx传感器检测·OH 的示意图如图5 所示。CV 测试用于分析不同电极对·OH 的传感响应,图6(a)可见H2O2的CV 曲线没有显示出明显的氧化还原峰, 这证明了CeO2/V2CTx修饰电极与H2O2之间没有明显的氧化还原反应,而与·OH 之间表现出较高的灵敏度。对于所有修饰电极, 除裸露的GCE (无响应) 外, CeO2、V2CTx和不同比例CeO2/V2CTx复合材料均出现氧化还原峰。图6(b)可见CeO2没有明显的峰出现,而V2CTx与CeO2/V2CTx复合材料类似均在0.57 V 和0.34 V出现相应的阳极峰电位(Epa)和阴极峰电位(Epc)。结合此现象说明以上结果归功于V2CTx的优异传感性能:V2CTx的丰富官能团使得·OH 能够快速吸附[23],从而引发具有双重氧化态(即Ce3+和Ce4+)的CeO2,其中Ce3+被认为是检测·OH 的活性位点,进而起到催化活性并产生电化学反应信号[24],具有高导电性和可调节的2D 层状结构的V2CTx为质子的长距离连续转移提供了途径。

图5 CeO2/V2CTx 传感器检测·OH 的示意图Fig.5 Schematic diagram of CeO2/V2CTx sensor detection·OH

图6 (a)CeO2/V2CTx-50 传感器分别对10 mmol/L·OH 和10 mmol/L H2O2 的CV 曲线;(b)CeO2、V2CTx 和CeO2/V2CTx 在10 mmol/L·OH 下的CV 响应曲线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

如图6(b)所示,原始的CeO2、V2CTx传感器均出现氧化还原峰且V2CTx的氧化还原响应更加明显,这与文献[11]中的描述一致。样品中响应最高的电极是CeO2/V2CTx-50 修饰电极,比原始V2CTx修饰电极响应明显提高, 表明CeO2纳米颗粒显著增强了对·OH 的响应。CeO2/V2CTx修饰电极响应对CeO2含量的依赖性进一步呈现在图6(b)中。随着CeO2含量的增加, 对·OH 的响应增加, 并在50 mg CeO2含量下获得优化的峰响应值最高。随着复合材料中CeO2的含量持续增加至70 mg 时,对·OH 的响应反而降低。这些现象表明,适当添加CeO2纳米颗粒可以显著改善V2CTx对·OH 的响应; 过量的CeO2会改变复合材料修饰电极的传感性能,阻碍复合材料与·OH 分子之间的相互作用,从而降低复合材料修饰电极的响应。

为了验证CeO2/V2CTx-50 对·OH 检测的最佳性能, 以及确定·OH 的LOD。由Fenton 反应产生的·OH,在0.3 mmol/L 和6.0 mmol/L 浓度变化范围内记录了DPV 曲线。尽管CV 和DPV 技术均有作用,但DPV 仍然是用于定量的优选分析方法,因为在脉冲技术的情况下充电电流的干扰较小[25]。此外,与CV 相比,DPV 研究显示电化学信号随浓度变化的变化非常明显。由于其高度不稳定性和快速解离[26]等误差干扰导致了峰值电流对应的峰值电势也会有一定的移动。如图7(a)所示,DPV 信号显示随着加入·OH 浓度的增大,CeO2/V2CTx-50 修饰电极在同一电势下对应的电流响应I也显著增加,进而DPV 曲线得到·OH 浓度与传感响应的函数,揭示了随着·OH 浓度的增加进而电流也逐渐增加,·OH浓度为0.3∼6.0 mmol/L 时,拟合曲线有良好的线性相关性如图7(b)所示,LOD 为0.48µmol/L。在低浓度下(0.3∼1.0 mmol/L) 得到的DPV 曲线得到的回归方程表示为

图7 (a) ·OH 的浓度在0.3 mmol/L 和6.0 mmol/L 之间的CeO2/V2CTx 传感器DPV 曲线;(b)响应浓度对应峰值电流线性拟合曲线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

在高浓度下(1.0∼6.0 mmol/L) 得到的DPV 曲线得到的回归方程表示为

选择性是决定电化学ROS 传感器在生物系统中的适用性的主要因素之一。考虑到检测环境的复杂性,研究了常见的内源性干扰物质对CeO2/V2CTx电化学性能的影响。分别添加1 mmol/L 的尿酸(uric acid,UA)、多巴胺(dopamine,DA)、·OH、葡萄糖(glucose,GLU)和H2O2的试样进行选择性测试。图8 所示为CeO2/V2CTx修饰电极对1 mmol/L·OH和1 mmol/L 其他干扰物质的响应电流。可以看出,当加入UA、DA、GLU 和H2O2时,CeO2/V2CTx修饰电极的响应电流远小于其对·OH 的响应电流,说明CeO2/V2CTx电极对·OH 的检测具有良好的选择性。

图8 CeO2/V2CTx 传感器在PBS(pH=7.4)中对1 mmol/L的·OH、UA、DA、GLU、H2O2 的单个干扰物质的电流响应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 结论

以V2AlC 为原料通过刻蚀插层得到少层V2CTx, 将不同含量的CeO2与少层V2CTx通过简单的超声处理方法成功合成了CeO2/V2CTx纳米复合材料,并对其进行结构表征和电化学性能测试。通过多次重复实验可知,随着CeO2的含量增加,传感器的传感性能也随之增大,这归因于CeO2的优异催化活性致使电化学活性较高; 然而随着CeO2的过量加入,传感器的传感性能降低,这归因于过量的CeO2使材料的导电性能变差,致使传感器的电化学性能降低。CeO2与V2CTx的协同作用,使其成为独特的电极修饰材料,所制备的电化学传感器可以与·OH 显示出特定的信号。CeO2/V2CTx电化学传感器对·OH 的检测具有良好的选择性、较宽的线性范围(0.3∼6.0 mmol/L) 和较低的LOD (0.48µmol/L)。可以证明此传感器在实际应用中具有相当大的应用前景。