石墨烯/MOFs复合材料在电化学生物传感器中的研究与应用*

雷新有， 左国防， 王 鹏， 李志锋

(1.甘肃省高校新型分子材料设计与功能省级重点实验室,甘肃 天水 741000; 2.天水师范学院 化学工程与技术学院,甘肃 天水 741000)

0 引 言

金属有机骨架(metal-organic frameworks，MOFs)材料又称为多孔配位聚合物(porous coordination polymer，PCP)，是一类具有多样拓扑结构的有机—无机杂化晶体材料[1]，由金属离子或离子簇与有机配体通过化学键合作用自组装形成，可以描述为金属节点单元和有机连接基团构筑的周期性的网络结构材料。金属构筑单元，包含无机金属节点的自组装，即金属离子/离子簇；有机连接基团主要由羧酸盐、N—电子给予基团和膦酸盐的不同构型组成。由于无机金属节点和有机连接基团构型变化的多样性，到目前为止，报道的MOFs结构超过20 000多个[2]。具有代表性的MOFs结构,包括有IRMOF—16(MOFs—16)、AgFe—混合金属MOFs、ZIF—8 MOFs和Zn—肌肽MOFs。

MOFs的合成和应用始于20世纪90年代初[3]，传统MOFs存在力学性能低、化学稳定性差、结构易受环境中水、氧气或溶剂影响而发生坍塌等缺陷，与热稳定性高的沸石等材料相比，大多数MOFs在高温条件下均会发生分解。这些缺点限制了MOFs在某些领域中的实际应用。

为了解决传统MOFs存在的缺陷，进一步提高其性能和应用。近年来，研究者将MOFs与一系列功能材料结合构建了新型复合材料，如MOFs/金属氧化物纳米粒子(NPs)、MOFs/聚合物、MOFs/酶、MOFs/量子点(QDs)、MOFs/多金属氧酸盐(POMS)、MOFs/生物分子以及MOFs/碳纳米材料等复合结构[4]。复合材料不仅可以克服MOFs的固有缺陷, 而且还可以将其比表面积大与孔隙率高的特性与其他功能材料的优良性能结合起来，通过调控复合材料的综合性能以满足各种不同的需求，产生单一材料所不具有的新功能，这已成为现代化学与材料科学研究的前沿领域之一[5,6]。

本文以MOFs与石墨烯及其衍生物为研究对象，介绍了石墨烯/复合材料在电化学生物传感领域中的最新研究成果。同时，探讨了复合材料在电化学生物传感应用中存在的问题，并对复合材料的研究和应用前景进行了展望。

1 石墨烯/MOFs复合材料电化学生物传感器

石墨烯是一种具有良好特性的碳基纳米材料，具有较高的导电性和电催化活性等诸多优点。石墨烯的sp2杂化二维结构、高的比表面积和含氧官能团可以很方便地与金属纳米材料相结合。石墨烯及其衍生物纳米材料已被广泛应用于电化学分析[7～14]。表1列举了部分最新石墨烯/MOFs复合材料电化学生物传感器在灵敏检测实际工作中的应用。

表1 MOFs/石墨烯复合材料电化学生物传感器

1.1 基于原位合成的石墨烯/MOFs复合材料电化学生物传感器

研究表明，石墨烯在复合材料中发挥了导电桥的作用，使电子传递速率增加[15]。例如，研究者[16]将合成的镍钴(NiCo)层状双氢氧化物(LDH)纳米片石墨烯纳米带(graphene nanoribbons,GNRs)修饰于玻碳电极(glassy carbon electrode,GCE)上，用于非酶葡萄糖检测。制备过程分为两个阶段，首先，以ZIF—67十二面体纳米晶MOFs为牺牲模板，制备了生长较低的NiCo—LDH纳米片。随后，为了获得机械稳定性良好的修饰电极，将所制得的纳米片与碳纳米管纵向展开制备的GNRs混合。循环伏安(cyclic voltammetry,CV)法检测了所研制的修饰电极对葡萄糖的传感性能，得到了快速、灵敏的葡萄糖传感器，其线性检测范围为5 μmol/L～0.8 mmol/L，检测限为0.6 μmol/L，灵敏度为344 μA·(mmol·L)-1·cm-2。此外，还发现NiCo-LDH/GNRs修饰电极对抗坏血酸(AA)、多巴胺(UA)和尿酸(DA)等分析物也具有较好的检测选择性。

采用原位合成方法，Ye Z等人[18]在RGO上成功合成了一种新型的夹心MOF(表示为M@Pt@M-RGO)结构，并显示出优异的电化学性质。M@Pt@M-RGO新型电化学生物传感器成功地应用于对苯二酚(HQ)、邻苯二酚(CT)和间苯二酚(RS)三个异构体的灵敏度检测，线性检测范围分别为0.05～200 μmol/L，0.1～160 μmol/L和0.4～300 μmol/L。检测限分别为0.015，0.032，0.133 μmol/L(S/N=3)。此外，该电化学传感器具有优异的抗干扰能力、良好的稳定性、再现性和回收率，可用于河流和湖水中的三种异构体的检测。

Zhang Y X等人[19]报道了在碱性介质中，通过在石墨烯膜上原位生长Ni2P纳米粒子来实现非酶葡萄糖传感器的高性能电催化。高活性Ni2P与稳定的石墨烯膜相结合，提高了电子转移速率和稳定性，对葡萄糖检测显示出良好的电催化活性。以Ni—MOF—74为前驱体，金属分布均匀，活性中心大量暴露，空间结构有序(图1)。利用Ni2P颗粒与石墨烯的协同反应，该复合材料具有较高的电催化活性和对葡萄糖电氧化的特异性。在优化的实验条件下，在葡萄糖5 μmol/L～1.4 mmol/L范围内得到了较宽的线性响应，检出限为0.44 mol/L。Ni2P/G修饰电极在葡萄糖浓度为1～8 mmol/L的人血清中也得到了良好的线性响应(R2=0.989 7)，表明Ni2P/G平台可用于实际样品中葡萄糖的检测。

图1 Ni2P/石墨烯MOFs复合材料制备示意[19]

为了克服MOFs的电导率差，电催化性能低等缺陷。Chen X R等人[20]在室温下，在物理剥落的石墨烯纳米片(GSs)两侧原位负载了多面体Co基咪唑沸石骨架[Co(mim)2]n(表示为ZIF—67，mim=2—甲基咪唑)，得到了具有有序纳米结构的三明治状GS@ZIF—67复合材料。与各单一组分相比，合成的GS@ZIF—67复合材料对葡萄糖氧化显示出更高的电催化活性。此外，与GSs和ZIF—67的物理混合物相比，分层纳米复合材料具有更好的电催化性能，进一步证明了ZIF—67与GSs的协同效应。该复合材料修饰电极是一种高灵敏度的非酶葡萄糖电化学生物传感器，线性检测范围为1～805.5 μmol/L，灵敏度为1 521.1 μA·(mmol/L)-1cm-2，检出限为0.36 μmol/L(S/N=3)，稳定性和选择性好。该传感器也成功地应用于人体血清中葡萄糖的测定，取得了满意的结果，为实际样品中葡萄糖的检测提供了广阔的前景。

开发合适的基底材料对于构建快速可靠的电化学生物传感器具有重要意义。在实际应用中，负电位小的生物传感器具有选择性、灵敏度高的优点。Peng B G等人[21]通过MOF与氧化石墨烯(gaphite oxide,GO)的热解，合成了CeO2-x/C/RGO纳米复合材料。CeO2-x/C/RGO纳米复合材料由于Ce3与RGO共存，对H2O2显示出优异的催化性能，是一种低工作电位的尿酸酶催化中间体。基于CeO2-x/C/RGO纳米复合材料的新型生物传感器，可应用于生物和医学领域中重要分子UA的检测。该纳米复合材料生物传感器在-0.4 V(vs SCE)下对UA的灵敏度为284.5 μA·cm-2·(mmol/L)-1，线性检测范围为49.8～1 050.0 μmol/L，检出限为2.0 μmol/L，且检测不受AA和尿素的干扰，具有很大的实用价值。

1.2 基于电化学改性的石墨烯/MOFs复合材料电化学生物传感器

Tu X L等人[22]采用一种简单、绿色的方法合成了一种新型的GO包覆Ce-MOFs(ERGO@Ce-MOFs)复合材料。首先在玻碳电极上分别注入Ce-MOFs和GO，然后通过电化学还原策略将GO还原成ERGO。ERGO@Ce-MOFs具有封装结构，可以防止MOFs在溶液中的分解，有效地提高了Ce-MOFs的稳定性。ERGO与Ce-MOFs的结合也显著提高了复合材料的导电性。以ERGO@Ce-MOFs复合材料作为电极材料，对合成农药的卤化酚类中间体二氯酚(DCP)进行的检测表明，Ce-MOFs与ERGO的协同效应显示出ERGO@Ce-MOFs对DCP的宽线性检测范围(0.2～10 μmol/L)，最低检出限为0.007 μmol/L(S/N=3)。此外，ERGO@Ce-MOFs电极也显示出良好的重现性和选择性。将该复合材料应用于实际样品中DCP的检测，结果令人满意。

Chen Q等人[23]采用溶剂热法制备了铜基MOFs—199与GO的纳米复合材料(MOFs—GO)，通过在玻碳电极上电沉积MOFs—GO复合材料，电化学还原改性进一步将MOFs—GO转化为MOFs—ERGO，得到CT和HQ的电化学生物传感器。采用DPV法研究了修饰电极的电化学性能，以及CT和HQ在修饰电极上的氧化行为。在优化的实验条件下，CT和HQ的线性检测范围分别为0.1～566 μmol/L (R2=0.997)和0.1～476 μmol/L(R2=0.999)，最低检出限为0.1 μmol/L(S/N=3)。实验结果表明，该修饰电极易于控制，具有良好的稳定性。通过对CT和HQ实际样品检测结果进行的验证，也取得了满意的结果。

Ma B L等人[24]制备了HKUST—1(MOFs)和ERGO纳米复合材料，进一步电化学还原将MOFs/GO转化为MOFs/ERGO,并将其应用于一步电沉积同时测定扑热息痛和DA的电化学生物传感。MOFs/ERGO复合材料对扑热息痛和DA具有良好的电化学催化活性，这是由于MOFs的大比表面积、孔隙率和高电分解活性以及ERGO导电性的协同效应所致。该修饰电极线性范围宽(对乙酰氨基酚0.2～160 μmol/L，DA 0.2～300 μmol/L)，检出限低(对乙酰氨基酚0.016 μmol/L，DA 0.013 μmol/L)。同时，该传感器也显示出较高的灵敏度、良好的选择性和良好的稳定性。

双酚A(BPA)作为一种典型的内分泌干扰物，其敏感检测尤为重要，近年来引起研究者广泛的关注。Li C M等人[25]采用Cu-MOFs结合GO,进而电化学还原制备了一种灵敏的双酚A电化学传感器。与Cu-MOFs-或ERGO修饰电极相比，Cu-MOFs/ERGO修饰电极对BPA的电催化活性明显提高。在优化实验条件下，所制备的修饰电极线性检测范围为0.02～90 nmol/L，检测限为6.7 nmol/L(S/N=3)。这种良好的灵敏性可归因于Cu-MOFs的高吸附和高催化能力，以及ERGO优异的导电性能所产生的协同效应。此外，Cu-MOFs/ERGO修饰电极具有较高的稳定性和抗干扰能力，已成功应用于塑料制品中双酚A的测定，为双酚A造成的紧急污染提供了一种有前途和可靠的快速分析方法。

Wang Y等人[26]在GCE上电沉积Cu(Ⅱ)—1,3,5—苯三甲酸(Cu-BTC)MOFs,进一步电化学还原得到(Cu-BTC)MOF/ERGO/GCE。修饰后的GCE用于2,4,6—三硝基苯酚(TNP)的高灵敏电化学生物检测。用扫描电镜和电化学阻抗谱对修饰电极的制备过程进行了表征。微分脉冲伏安(differential pulse voltammetry,DPV)研究表明，Cu-BTC/ERGO/GCE比单纯的Cu-BTC/GCE或ERGO/GCE显示出更强的TNP还原信号。DPV显示了TNP有三个还原峰，第一个峰的电位为-0.42 V(vs SCE)。选择这种电位，是因为其他三种结构类似的化合物(2—硝基苯酚、4—硝基苯酚、2,4—二硝基苯酚)没有在此电位处产生信号。在0.2～10 μmol/L TNP浓度范围内呈线性关系，最佳实验条件下，最低检出限为0.1 μmol/L(S/N=3)，灵敏度为15.98 μA(μmol/L)-1cm-2。通过对自来水和湖水样品中TNP的检测，显示出该传感器良好的适用性，回收率在95 %～100 %之间。

将Cu3(btc)2(btc=1,3,5—苯三甲酸)MOFs复合材料共价固定在壳聚糖(CS)上，进一步与ERGO混合膜修饰电极,如图2所示。

图2 基于DBIs灵敏检测的MOF/ERGO传感器的制备及其检测原理示意[27]

基于MOFs的修饰电极可作为电化学生物传感平台同时应用于二羟基苯异构体(DBIs)邻苯二酚(CT)、间苯二酚(RS)和对苯二酚(HQ)的灵敏检测[27]。研究结果表明，在修饰电极上，Cu3(btc)2的多孔骨架结构和ERGO高的电子电导率的协同作用，对DBIs显示出良好的分辨能力和很强的伏安信号。DPV法测量显示了传感器具有宽的线性检测范围和低的检测限。该传感器也适用于实际水样中DBIs的测定，表明了该MOFs在电化学异构体检测应用中的巨大潜力。

研究者[28]分别采用Zr(IV)金属—有机骨架(MOFs)、2,2—联吡啶—5,5—二甲酸酯(UiO—67—BPY)和GO修饰玻碳电极，通过电化学还原制得了ERG—UiO—67—BPY/GCE传感器。该复合材料修饰电极的ERG和UiO—67—BPY组分具有协同电催化作用，对去甲肾上腺素(NE)的氧化显示出很强的伏安响应。比较研究表明，MOFs的联吡啶基与NE的2—氨基乙醇基团之间的氢键作用对促进电极表面的电子转移发挥着重要作用。该复合材料修饰电极的DPV法线性检测范围宽，检出限为0.026 μmol/L，且具有良好的重现性和稳定性，可用于NE和UA的同时灵敏检测，显示该传感器是一种灵敏、简便的检测NE的电化学传感器。

以铜(Cu)为中心的MOFs/石墨烯复合材料可同时测定水中HQ和CT。Li J等人[29]制备了一种高灵敏、简单的Cu-MOFs-GN/GCE电化学生物传感器，Cu-MOFs-GO裸露在玻碳电极上，电化学还原改性将Cu-MOFs-GO转换为Cu-MOFs-GN。CV，DPV法研究了Cu-MOFs-GN/GCE对HQ和CT的电化学响应。在优化实验条件下，修饰电极对HQ和CT显示出良好的电催化性能和高选择性。电化学传感器在1.0×10-6～1.0×10-3mol/L的相同范围内呈现出线性关系，HQ和CT的检测限分别为5.9×10-7mol/L和3.3×10-7mol/L(S/N=3)。该传感器应用于4种不同浓度的HQ和CT的自来水样品的检测，并应用于这些异构体的分析。加标自来水，回收率为99.0 %～102.9 %，相对标准偏差(RSD，5次)小于5 %。

快速检测微量抗生素对环境监测和生态系统至关重要。Fang X等人[30]设计了一种灵敏、选择性的电化学传感器，用Cu2+的阳极溶出伏安法检测环丙沙星(Cip)。采用Zr(IV)基MOFs/NH2—UIO—66和RGO复合材料作为工作电极修饰材料，显示出较大的比表面积和较高的导电性。由于在NH2—UiO—66/RGO修饰电极上，Cip能与Cu2+发生稳定的络合反应，可采用阳极溶出伏安法测定Cu的沉积量。当Cip存在时，Cu2+的氧化电流由于Cu2+-Cip络合物的形成而明显减小。所制备的NH2-UiO-66/RGO传感器，检测Cip的灵敏度为10.86 μA·(μmol/L)-1，线性范围为0.02～1 μmol/L，优于以往报道的其它电化学Cip传感器。同时，该传感器还显示出较高的选择性、重现性和稳定性。通过对实际水样中Cip进行的检测，表明传感器具有较好的回收率。该传感器灵敏度高、检测速度快、操作方便，对水中微量抗生素污染物的实时分析和监测具有重要的应用前景。

综上，MOFs与石墨烯纳米材料的结合显示出明显的电导率提高、比表面积增加和结构稳定的显著优点。特别是在电化学生物传感平台上，这些性能有效提高了系统的灵敏度和稳定性。

2 研究展望

石墨烯/MOFs复合材料巧妙地结合了石墨烯纳米材料的特性(如电学、热学、光学和机械特性)和MOFs 独特的性质(如结晶有序结构、可调谐孔尺寸、大比表面积、化学可拉伸性和热稳定性)，通过两者所带来的协同效应，显著增强了电化学信号，提高了目标物检测的灵敏性和选择性，拓展了MOFs的应用领域，受到研究者的广泛关注。从近年来的发展来看，石墨烯/MOFs复合材料在催化、电化学生物传感等相关领域显示出了良好的应用前景。但必须看到，石墨烯/MOFs复合材料在电化学生物传感器中的应用研究尚处于初期阶段，其在电化学生物传感器中的应用仍存在一些问题：1)在复合材料制备方法上，目前的方法步骤繁琐且仅限于实验室合成，因此开发简单高效的制备方法具有重要意义。2)MOFs结构需要特定的基团与目标物进行特异性结合，这就要优先考虑MOFs反应物的基团功能化，但进行功能化要求条件较多，功能化后易破坏框架结构使得MOFs在电化学传感器中的应用受到一定的限制。3)现阶段应用在电化学生物传感领域中的MOFs结构种类较少，构建新的具有良好电化学活性、特定孔隙率的MOFs材料，仍是研究的一个重点。4)石墨烯/MOFs复合材料，目前大部分为核壳结构，需要进一步探索其他新型结构(如中空、分散等结构)，以拓展其在电化学生物传感器中的应用。