MOF基无酶电化学葡萄糖传感器的研究进展

李峰博，孙景雨，邹帆，赵冰，张丽

MOF基无酶电化学葡萄糖传感器的研究进展

李峰博1，孙景雨2，邹帆2，赵冰1，张丽2

（齐齐哈尔大学1. 化学与化学工程学院，2. 材料科学与工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

无酶电化学葡萄糖传感器具有稳定性高、应用条件广、材料简单易得、检测限低、灵敏度高等优点，近年来引起研究者的广泛关注．具有特殊孔道结构、高比表面积的MOF材料为新型的无酶电化学葡萄糖传感器的构建提供了更加广阔的思路和选择．介绍了以MOF为基体与不同的材料（金属纳米粒子、氧化石墨烯、MOF衍生物复合材料）进行复合构建出MOF基无酶电化学葡萄糖传感器的研究进展，并进行了简单的总结和展望．

MOF；无酶电化学检测；传感器；金属纳米粒子；氧化石墨烯

糖尿病是一种代谢性疾病，已成为全球人类健康重大威胁的疾病之一[1-2]．根据世界卫生组织统计数据，全世界大约有4.22亿人患有该疾病[3]．与其它疾病相比，糖尿病可导致并发症，如中风、肾脏疾病、心血管疾病和失明[4]．作为一种慢性疾病，糖尿病不能被完全治愈，但是频繁且有效地监测血糖浓度可以提醒并警示糖尿病患者的生活方式，能够有效降低并发症的发生几率．

葡萄糖的检测手段有很多种，最常用的手段是利用对葡糖糖酶的修饰固定，实现对血清中葡萄糖浓度的测定．但是，酶的操作条件和反应条件都比较苛刻，限制了其在极端条件下的使用．因此，近年来许多科研工作者利用各种各样的非酶类材料代替葡萄糖酶，在不同的测试条件下构建出葡萄糖电化学传感器，对血清中的葡萄糖分子进行精确的检测[5]．

在众多的非酶材料中，以金属-有机骨架（MOF）材料作为基体构建电化学传感器的应用极其广泛．MOF材料由于本身结构的特殊性，能够利用不同种类的金属中心离子和各式的有机连接体构建出结构和品种繁多的MOF材料[6-7]．这使得MOF材料在电化学传感领域具有广泛的应用，也激起科研工作者的兴趣．本文对近年来MOF基无酶电化学葡萄糖传感器的研究进展进行了概述．

1　MOF与金属纳米粒子复合材料构建的无酶电化学葡萄糖传感器

MOF材料本身具有可调控的孔道结构、较大的比表面积以及多元化的骨架和结构，使其在储能、传感以及气体分离等领域具有广泛的应用[8-10]．但是，单纯的MOF材料自身的导电性以及电子传输能力并不高，限制了其在电化学传感领域的进一步应用[11]．

金属纳米粒子自身具有很好的导电性和电子传输能力，而且不同种类的金属纳米粒子能够承担不同的电化学传感作用，使得金属纳米粒子能够作为一种有效的葡萄糖电化学传感器电极材料[12]．近年来，金属纳米粒子在葡萄糖传感领域具有广泛的应用，如镍、钴、铜、金、银、铂等金属纳米粒子都被用来构建葡萄糖无酶电化学传感器，并取得了令人满意的效果．同时，金属纳米粒子也具有自身的局限性，在合成的过程中，金属纳米粒子自身粒径较小，容易聚集，降低了自身的比表面积，减少了电化学反应过程中的活性位点数，不利于反应的进行．因此，将MOF材料与金属纳米粒子有效的结合，既能够改善MOF材料自身导电性差的缺点，也能够有效地防止金属纳米粒子的聚合．MOF材料表面以及内部有序的孔道结构，能够使金属纳米粒子附着在MOF材料的表面和内部，防止金属纳米粒子聚集，提高电化学活性表面积和电化学活性[13-15]．

Chen[16]等通过简单的水热法合成了Ni-BTC MOF材料，然后借助微波辅助过程将金纳米颗粒修饰在Ni-BTC微球表面．通过快速、高效的微波辅助沉积方法将金纳米颗粒均匀分布在Ni-BTC微球上，构建出性能优异的Au@Ni-BTC非酶葡萄糖传感器．所构建的Au@Ni-BTC传感器具有宽的线性范围（5～7 400 μM），高灵敏度（1 447.1 μA·mM-1·cm-2）和低检测限（1.5 μM）．此外，它们对血清样品分析也具有良好的选择性．这可能是由于金纳米颗粒和Ni-BTC的协同作用所致，促进了电化学过程中更快的电荷转移．

Liu[17]等合成一个3D的Co-MOF，并利用原位合成的方法将Ag纳米粒子封装在多孔的Co-MOF中，并构建出非酶的葡萄糖氧化电化学传感器．利用MOF的孔隙率和Ag的优良电导性提高了氧化葡萄糖的电催化性能．该研究提供一种有效的制备NPs@MOF电催化传感器的方法，它将唤起进一步探索非酶葡萄糖传感器在真实样品检测中的直接或改进的应用．

2　MOF与氧化石墨烯复合材料构建的无酶电化学葡萄糖传感器

虽然MOF材料自身是一种具有广泛应用的多孔材料，但自身性能也会有一些局限性，其性能可以进一步通过复合其它材料进行改善．将MOF与适当的材料进行复合，并使复合材料嫁接新的活性官能团改善其性能．因此，寻找合适的互补材料和合成途径对于制造MOF基复合材料至关重要．氧化石墨烯（GO）是合成MOF复合材料最合适的材料之一．它们通过增加MOFs内的色散力来改善MOF的形成，能够使MOF材料本身具有更好的结构，也能够增强MOF本身的物理和化学性质[18-20]．

Liu[21]等采用一种简单经济的方法，在室温下用电化学剥离石墨烯（EG），成功制备了不同金属配位的二维（2D）MOF．作为非酶葡萄糖传感器的电极材料，修饰MOF/EG电极对葡萄糖传感器具有很高的电催化活性．其中，非酶Co-MOF/EG传感器具有良好的检测性能，线性范围宽（1.0～3 330 μM），最小检测限0.58 μM（S/N=3）．在碱性溶液中的检测响应时间小于0.9 s．最重要的是，Co-MOF/EG对葡萄糖的氧化电位很低，在葡萄糖的低氧化电位下检测性能非常好，且该研究表明配位不饱和金属离子是葡萄糖电催化的主要活性中心．该研究认为，MOF/EG是一种有效的复合策略，可用于创建具有原子精度的活性多相催化剂．

3　MOF衍生复合材料构建的无酶电化学葡萄糖传感器

MOF材料最显著的特点之一是它具有可调变有机连接体和金属节点．更为重要的是，其具有孔径可调、金属位置可变和周期性拓扑结构的优点．将MOF直接转换为导电性更好的衍生材料，最直接、最有效的方法之一是在不同的气氛环境下（如氢气、氮气、空气）高温热分解MOF，制备成金属氧化物（碳化物、磷化物、硫化物等）复合材料[22-25]．在分解过程中，金属中心可以转化为相应的金属或氧化物，这些金属或氧化物可以作为催化剂，促进碳物种的形成，或在高温下蒸发而留下孔隙，形成具有特殊孔道结构的金属/金属碳化物框架．因此可以利用此种方法，制备出多种元素组成不同和孔道结构特殊的复合材料，使其具有更广泛的应用．

Zhang[26]等报道了一种定向生长纳米颗粒的高性能电催化剂，在石墨烯薄膜上的原位生长Ni2P，并构建出用于碱性条件下的非酶葡萄糖传感器．高活性Ni2P与快速导电石墨烯薄膜的结合增强了电子转移速率和稳定性，使该复合物对葡萄糖显示出优异的电化学活性．以Ni-MOF-74为前驱体，在高温条件下生成Ni2P/G材料，Ni2P/G表现出均匀的介电常数、金属分布、大量暴露的活性位点和高度有序的空间结构．通过Ni2P粒子与石墨烯的协同反应，制备的MOF基复合材料对葡萄糖电催化氧化具有高度的电催化活性和特异性．在最优的测试条件下，在5 μM～1.4 mM的范围内获得了宽的线性响应，检测限为0.44 μM．此外，该传感器可用于糖尿病患者的血糖监测．

Yin[27]等以Ni-MOF为前驱体，通过控制合成条件成功获得了高分散的氧化镍纳米颗粒的多面体NiO/碳多孔复合材料．深入研究了热解温度对复合材料表面形貌、晶体结构和葡萄糖传感性能的影响．利用动力学分析证明了所得电极材料表面对的葡萄糖高催化活性（Kcat，2.09×106M-1·s-1）．构建的Ni-MOF400传感器显示出超高灵敏度（2 918.2 μA·mM-1·cm-2），相对较宽检测线性范围（5 μM～4.1 mM）和低的检测限（0.92 μM）．该材料表现出优异的葡萄糖传感性能可能是由于Ni-MOF热解之后生成的高度分散的氧化镍纳米颗粒和多孔碳之间的协同效应使得电荷转移电阻大大降低，电催化活性提高．此外，传感器也表现出优异的抗干扰性能．牛血清中葡萄糖检测的分析回收率为103%～108.1%．结果表明Ni-MOF400传感器对实际样品分析具有较好的可行性．

4　结论与展望

MOF材料自身结构和元素组成的优异特性，使其成为构建无酶电化学葡萄糖传感器的优势材料，然而单一的MOF材料受限于自身的导电性差，溶液中稳定性差等因素，限制了其在葡萄糖电化学传感领域的进一步应用．研究者通过将MOF材料与金属纳米粒子、氧化石墨烯以及利用MOF材料作为前驱体生成衍生物等手段制备具有更高电催化活性和稳定性的材料．材料科学的迅速发展也为无酶电化学葡萄糖传感器电极材料的制备带来了许多新的方法．基于MOF材料的电化学传感技术突破了酶型传感器的局限性，有望成为快速、灵敏、选择性测定葡萄糖水平的下一代传感工具．当然这一类基于MOF材料的电化学葡萄糖传感器仍存在一些不足．如线性范围大多都不够宽，制备过程略显复杂，而且多数的检测都是在碱性环境条件下才能进行．这些因素都导致该类传感器无法直接应用于血糖的直接检测，影响其实际应用的潜力．伴随着可穿戴传感技术的快速发展，将MOF基无酶葡萄糖传感器与可穿戴传感技术结合，研制可穿戴式传感器，从而实时监控血糖，这将是今后的研究方向之一．

[1] Zargar A H，Wani A A，Laway B A，et al．Prevalence of diabetes mellitus and other abnormalities of glucose tolerance in young adults aged 20-40 years in north india（kashmir valley）[J]．Diabetes Research & Clinical Practice，2008，82（2）：276-281．

[2] Hwang D W，Lee S，Seo M，et al．Recent advances in electrochemical nonenzymatic glucose sensors-a review[J]．AnalChimActa，2018，1033：1-34．

[3] Turner R C，Holman R R，Stratton I M，et al．Effect of intensive blood-glucose control with metformin on complications in overweight patients with type 2 diabetes （UKPDS 34）[J]．Lancet，1998，352：854-865．

[4] Ogurtsova K，Darochafernandes J D，Huang Y，et al．Idf diabetes atlas：Global estimates for the prevalence of diabetes for 2015 and 2040[J]．Diabetes Res Clin Pract，2017，128：40-50．

[5] Liu A，Lang Q，Liang B，et al．Sensitive detection of maltose and glucose based on dual enzyme-displayed bacteria electrochemical biosensor[J]．Biosensors & Bioelectronics，2017，87：25-30．

[6] Xiu Yuan，Zhen Jing，Yong Zhi，et al．Direct Evidence：Enhanced C2H6and C2H4Adsorption and Separation Performances by Introducing Open Nitrogen-Donor Sites in a MOF[J]．Inorganic chemistry，2018，57（19）：12417-12423．

[7] Zhang Y M，Pang J D，Li J L，et al．Visible-light harvesting pyrene-based MOFs as efficient ROS generators[J]．ChemSci，2019，10：8455-8460．

[8] Halder S，Ghosh P，Rizzoli C，et al．Nitroaromatic explosives detection by a luminescent Cd（II） based metal organic framework[J]．Polyhedron，2017，123：217-225．

[9] Ghosh P，Banerjee P．How paramagnetic and diamagnetic LMOCs detect picric acid from surface water and the intracellular environment：a combined experimental and DFT-D3 study[J]．Phys Chem Chem Phys，2016，18，22805-22815．

[10] Shooto N D，Ayawei N，Wankasi D，et al．Study on cobalt metal organic framework material as adsorbent for lead ions removal in aqueous solution[J]．Asian Journal of Chemistry，2016，28（2）：277-281．

[11] Liu S，Zhou J，Cai Z，et al．Nb2O5quantum dots embedded in mof derived nitrogen-doped porous carbon for advanced hybrid supercapacitors applications journal of materials chemistry a accepted manuscript[J]．JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRYA，2016（39）：17838-17847．

[12] Joni I M ，Zannuary I，Hidayat D，et al．A simple microcontroller-based sedimentation potential measurement for nanosuspension stability investigations[C]//Aip Conference．AIP Publishing LLC，2016．

[13] DongX，JiX，JingJ．Synthesis of Triangular Silver Nanoprisms by Stepwise Reduction of Sodium Borohydride and Trisodium Citrate[J]．The journal of physical chemistry，CNanomaterials and interfaces，2010，114：2070-2074．

[14] Meng Weiwen，Dai Yuanyuan，Lei Zhangxing，et al．A novel electrochemical sensor for glucose detection based on Ag@ZIF-67 nanocomposite[J]．Sensors and Actuators，BChemical，2018，260：852-860．

[15] Samadi-Maybodi A，Ghasemi S，Ghaffari-Rad H，et al．A novel sensor based on Ag-loaded zeolitic imidazolate framework-8 nanocrystals for efficient electrocatalytic oxidation and trace level detection of hydrazine[J]．Sensors and Actuators，BChemical，2015，（220）：627-633．

[16] Chen Junli，Yin Haoyong，Zhou Jielin，et al．Efficient Nonenzymatic Sensors Based on Ni-MOF Microspheres Decorated with Au Nanoparticles for Glucose Detection[J]．Journal of Electronic Materials，2020，49（8）：4754-4763．

[17] LiuYang，Shi Wen-Juan，Liu Ge，et al．Nonenzymatic Glucose Sensing and Magnetic Property Based On the Composite Formed by Encapsulating Ag Nanoparticles in Cluster-Based Co-MOF[J]．Inorganic Chemistry，2019，58（24）：16743-16751．

[18] Huang ZhengHong，Liu Guoqiang，Kang Feiyu．Glucose-promoted Zn-based metal-organic framework/graphene oxide composites for hydrogen sulfide removal[J]．Acs Appl Mater Interfaces，2012，4（9）：4942-4947．

[19] Liu S，Sun L X，Xu F．etc．Nanosized Cu-MOFs induced by graphene oxide and enhanced gas storage capacity[J]．Energy & Environmental Science，2013，6（3）：818-823．

[20] Tang J，Jiang S，Liu Y．etc．Electrochemical determination of dopamine and uric acid using a glassy carbon electrode modified with a composite consisting of a CO（II）-based metalorganic framework（ZIF-67）and graphene oxide[J]．Mikrochim Acta，2018，185（10）：486-496．

[21] Liu B，Wang X，Liu H，et al．2D MOF with electrochemical exfoliated graphene for nonenzymatic glucose sensing：Central metal sites and oxidation potentials[J]．Analytica Chimica Acta，2020，1122：9-19．

[22] Yang J，Ye H，Zhang Z，et al．Metal-organic framework derived hollow polyhedron CuCo2O4functionalized porous graphene for sensitive glucose sensing[J]．Sensors & Actuators B Chemical，2017，242：728-735．

[23] Wu Renbing，Qian Xukun，Rui Xianhong，et al，Zeolitic imidazolate framework 67-derived high symmetric porous Co3O4hollow dodecahedra with highly enhanced lithium storage capability[J]．Small，2014，10（10）：1932-1938．

[24] Bendi Ramaraju，Cheng-Hung，Sengodu Prakash，et al．Metal-organic framework derived hollow polyhedron metal oxide posited graphene oxide for energy storage applications[J]．Chem Commun，2016，52：946-949．

[25] Huang G，Zhang F，Du X，et al．Metal Organic Frameworks Route to in Situ Insertion of Multiwalled Carbon Nanotubes in Co3O4Polyhedra as Anode Materials for Lithium-Ion Batteries[J]．Acs Nano，2015，9（2）：1592-1599．

[26] Zhang Yaxing，Xu Jiaoyan，Xia Jianfei，et al．MOF-Derived Porous Ni2P/Graphene Composite with Enhanced Electrochemical Properties for Sensitive Nonenzymatic Glucose Sensing[J]．Acs Applied Materials & Interfaces，2018，10（45）：39151-39160．

[27] Yin Haoyong，Zhan Tianyu，Chen Junli，et al．Polyhedral NiO/C porous composites derived by controlled pyrolysis of Ni-MOF for highly efficient non-enzymatic glucose detection[J]．Journal of Materials Science：Materials in Electronics，2020，31（5）：4323-4335．

Progress of the MOF-based enzyme-free electrochemical glucose sensor

LI Fengbo1，SUN Jingyu2，ZOU Fan2，ZHAO Bing1，ZHANG Li2

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering，2. School of Materials Science and Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Nonenzymatic electrochemical glucose sensor has attracted wide attention from researchers in recent years because to its advantages of high stability，wide application conditions，simple and easy materials，low detection limit and high sensitivity．MOF materialsprovide a broader idea and choice for the construction of new enzyme-free electrochemical glucose sensors becauseofitsspecial pore structure and high specific surface area．Introduces the research progress of building a MOF-based enzyme-free electrochemical glucose sensor with different materials （metal nanoparticles，GO oxide，MOF derivatives composite materials），and makes a simple summary and prospect．

MOF；enzyme-free electrochemical detection；sensors；metal nanoparticles；GO oxide

1007-9831（2022）03-0068-04

O69

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.03.014

2021-11-03

黑龙江省省属本科高校基本科研业务费（145109118）；2021年国家级大学生创新创业训练计划项目（202110232009）

李峰博（1992-），男，河南灵宝人，助教，硕士，从事电化学材料研究．E-mail：lfb199210@163.com

张丽（1985-），女，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，博士，从事功能材料研究．E-mail：zhangli10227@126.com