甲基功能化Cd基金属有机骨架高灵敏电化学传感多巴胺

马甜甜 李素梅 张丞雨 续 璐 白乙艳 付云龙 籍文娟＊, 杨海英＊,,

(1山西师范大学化学与材料科学学院，磁性分子与磁信息材料重点实验室，太原 030032)

(2运城学院应用化学系，运城 044000)

0 引 言

多巴胺(DA)是一种神经递质。人脑中的多巴胺分泌异常就会引发帕金森综合征、精神分裂症、阿尔茨海默病等疾病[1-4]。目前，多巴胺分子可采用操作复杂、成本高、检测速度慢的紫外可见光谱法[5]、毛细管电泳[6]、高效液相色谱法[7]、化学发光法[8]等方法检测。因此，选用灵敏、快速、低成本、高效的电化学方法检测[9-11]多巴胺是一种很好的选择。

目前，金属有机骨架(MOFs)已经成为电化学传感的明星材料之一。它具有催化活性的金属中心[12]、大的比表面积[13]、可修饰的有机配体[14]和多样的孔道结构[15]而受到大家的关注。但是，以MOFs直接用作电极材料时，其导电性差[16]、水稳定性和酸碱稳定性差[17]的特点限制了纯MOFs 在电化学传感领域的应用。因此，构建具有适合电化学传感性能的MOFs 材料，关键是需要设计兼具化学稳定性和具有特定识别位点的MOFs[18]。目前，稳定性好的高价金属MIL-101(Fe、Al、V、Ti、Sc 和Mn)材料[19]、异金属MOFs[20]和后修饰合成的疏水性MOFs 已经受到大家的青睐。如Tarasi 等[21]合成了2 个MOF：TMU-59和TMU-6(RL1)，并研究了在其碱性胺基周围加入甲基等官能团对检测靶分子的影响。研究了母体结构TMU-6(RL1)和甲基功能化TMU-59对水溶液中三硝基苯酚(TNP)的检测能力。研究结果表明，在柱状连接剂上插入甲基基团可以显著提高MOF 的疏水性、稳定性和电子密度，并通过氢键和π-π相互作用等多种吸附机制最大限度地提高MOF 与硝基芳烃客体的相互作用。

基于以上考虑，我们选用混配策略，以带有疏水功能基团的3，3′，5，5′-四甲基-1H，1′H-4，4′-联吡唑(BPZ)和对苯二甲酸(H2BDC)为混合配体，与Cd（Ⅱ）离子构筑出Cd 基MOF 材料[Cd(BDC)(BPZ)(H2O)]n(1)，其三维的孔道内富含多个—CH3疏水基团和自由的羧基氧原子，通过氢键和范德瓦耳斯力增强与DA 分子的相互作用。将纯的化合物1 直接滴涂到玻碳电极制成电化学传感器1/GCE(Scheme 1)，可高灵敏检测多巴胺，其检出限(LOD)低至56.8 nmol·L-1，线性范围为0.4～764.7 μmol·L-1。

Scheme 1 Schematic diagram for preparation of electrochemical sensor 1/GCE and its detecting dopamine

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

四水合硝酸镉(Cd(NO3)2·4H2O)购于阿拉丁生化科技股份有限公司。BPZ购于济南恒化科技有限公司。H2BDC 购自梯希爱化成工业发展有限公司。甲醇购自科密欧化学试剂公司。

所用的仪器有Bruker D8 venture 型单晶X 射线衍射仪(德国Bruker公司)、Ultima Ⅳ-185型粉末X射线衍射仪(PXRD，日本理学公司，辐射源MoKα，λ=0.071 073 nm，工作电压40 kV，电流40 mA，扫描范围5°～50°)、TGA/DSC 型同步热分析仪(TG，瑞士梅特勒托利多)、VARIAN 660-IR 型傅里叶变换红外光谱仪(美国瓦里安公司)、202 型电热恒温干燥箱(北京科伟)、CHI 660型电化学工作站(上海辰华公司)。

1.2 化合物1的合成

将含有0.047 g Cd(NO3)2·4H2O、0.015 g BPZ、0.008 g H2BDC、2 mL 去离子水和4 mL 甲醇的混合物放置在磁力搅拌器上搅拌混合1 h，随后转移至体积为20 mL 的玻璃小瓶子中，在恒温烘箱中100 ℃下加热反应3 d 后取出，等待冷却到室温后，用甲醇冲洗干净并抽滤、干燥后得到透明块状晶体，即得到化合物1。产率为43.5%。

1.3 电化学性能测试

所有的电化学测量均在CHI 660 工作站上进行，用三电极体系配置：参比电极为汞/氧化汞电极(Hg/HgO)，对电极为Pt 丝电极，1/GCE 为工作电极。本工作中，在0.1 mol·L-1KCl 和10 mmol·L-1的三氯化六氨合钌([Ru(NH3)6]Cl3)混合溶液中，对裸玻碳和修饰电极进行循环伏安法(CV)和电化学阻抗(EIS)的测试。在-0.4～0.3 V 电压窗口内获得了CV 曲线，EIS 实验在0.01 Hz～100 kHz 频率范围内进行，信号幅值为5 mV，并绘制Nyquist图。

用化合物1/GCE 电极对多巴胺进行CV 测试和差分脉冲伏安(DPV)测试，利用磷酸盐缓冲溶液(PBS)调节pH。在CV 测试中，设置扫速为100 mV·s-1，电压窗口设置为-0.2～1.0 V；在DPV 测试中，脉冲幅度为0.05 V，脉宽为0.06 s，电压窗口为-0.2～1.0 V。

1.4 X射线晶体结构测定

用显微镜挑选出颗粒大小约为0.11 mm×0.08 mm×0.12 mm 的较透亮且无裂纹的晶体。取直径与所选晶体大小相近的玻璃丝将其固定在单晶衍射仪的样品架上。在室温下，使用CCD 面探测器(MoKα，λ=0.710 73 nm)在布鲁克单晶衍射仪上收集化合物1 的单晶X 射线衍射数据，并使用SADABS程序对数据进行经验吸收校正。采用SHELXS程序中的直接法解析晶体结构，并用软件SHELXL 对所有非氢原子坐标及其温度因子进行全矩阵最小二乘法(F2)精修。所有的非氢原子都采用连续微分傅里叶法，并进行各向异性精修。1 的晶体学数据见表1，主要的键长和键角见表2。

表1 化合物1的晶体学数据Table 1 Crystalllographic data of compound 1

表2 化合物1的主要键长(nm)和键角(°)Table 2 Selected bong lengths(nm)and bond angles(°)of compound 1

CCDC：2320732。

2 结果与讨论

2.1 晶体结构描述

单晶X 射线分析的数据表明，化合物1 的晶体属于单斜晶系P21/n空间群(图1a)。在化合物1的配位环境图中，Cd（Ⅱ）离子与2 个BDC2-配体中的3 个羧基氧原子、BPZ 配体中吡唑的2 个氮原子和配位水分子形成扭曲的八面体结构。Cd—N 键的键长为0.232 13～0.233 72 nm，Cd—O 键的键长为0.223 82～0.239 57 nm，O—Cd—O 的键角为55.72°～165.51°，N—Cd—O 的键角为87.00°～94.23°。1 个Cd 离子周围可与2 个BPZ 配体配位而形成一维链，一维链和一维链之间通过BDC2-配体扩展成由6 个Cd（Ⅱ）、4 个BPZ 和2 个BDC2-构成的四边形孔，其孔径大小为51.8 nm×89.3 nm，孔壁内富含4 个—CH3和2 个未配位的羧基氧原子位点(图1b)；进而与另一个BDC2-配体在a轴和c轴方向扩展为三维孔道结构(图1c)，使其具有作为高效电化学传感器的应用潜力。

图1 (a)化合物1的配位环境图;(b)二维结构;(c)三维结构Fig.1 (a)Coordination environment diagram of compound 1;(b)2D structure;(c)3D structure

2.2 IR、PXRD表征和TG分析

对化合物1用红外分析其结构和官能团。由图2 可以看出，在3 480 cm-1附近有1 个宽峰，是由于H2O 中H—O 的伸缩振动引起的。在1 506 和1 563 cm-1处分别出现了1 个较弱的和1 个较强的红外吸收峰，这分别归因于BPZ 配体中吡唑环上C=N、C=C 的伸缩振动；在1 382 cm-1处出现较强的红外吸收峰，可归因于BPZ 配体上—CH3的面内弯曲振动，说明了BPZ配体的存在。

图2 化合物1的红外谱图Fig.2 IR spectrum of compound 1

从测试的PXRD 图中可以看出(图3)，化合物1的PXRD 图与其模拟的PXRD 图可以很好地匹配，也表明合成出的化合物1 有良好的结晶度和纯度。为了检验化合物1 的酸碱稳定性，将化合物1 浸泡在pH=4～8 的PBS 中30 min 后洗净晶体，然后进行PXRD 分析。从图3 中可以看出浸泡后的化合物1的PXRD 图仍然可以很好地与模拟PXRD 图相匹配，说明化合物1 在不同pH 下的稳定性良好，在电化学测试过程中有很好的酸碱稳定性，为其作为良好的电化学传感材料提供了保证。

图3 化合物1的PXRD图Fig.3 PXRD patterns of compound 1

从室温加热到800 ℃，对化合物1 进行热重测试，对材料的热稳定性进行评估。由图4可知，在温度为186 ℃时，化合物1 开始分解，在200～280 ℃范围内，质量的损失主要来自于骨架结构中溶剂分子的脱去。在280～320 ℃的范围内，有机配体被破坏，出现第2个失重步骤，产生了约45%的质量损失，表明化合物1 的骨架坍塌。当温度升高至550 ℃以上时，化合物1的热重曲线基本不再发生变化，表明化合物1 的结构已完全坍塌，该热重分析数据证明化合物1具有较好的热稳定性。

图4 化合物1的热重曲线Fig.4 TG curve of compound 1

2.3 化合物1/GCE的电化学传感性能

2.3.1 化合物1/GCE的电化学阻抗

采用EIS 法和CV 法在含有0.1 mol·L-1的KCl的10 nmol·L-1[Ru(NH3)6]3+溶液中考察了化合物1 修饰前后电极的电化学性能。如图5a 所示，当对裸GCE进行CV 测试时，从图中可以观察到一对明显的[Ru(NH3)6]3+氧化还原峰，而1/GCE 的氧化还原峰电流却显著降低，这是MOF 的导电性较差导致的。随后，又对上述2 种电极进行了EIS 测试(图5b)，发现经过修饰后的GCE 电极的Rct增大，表明电子在[Ru(NH3)6]3+与电极表面的电极-电解质界面上的扩散能力更好，说明材料适合用于电化学传感。

图5 在10 nmol·L-1的[Ru(NH3)6]3+(含0.1 mol·L-1的KCl)溶液中,化合物1修饰前后电极的(a)CV曲线和(b)EIS图Fig.5 (a)CV curves and(b)EIS plots of the electrode before and after modification with compound 1 in 10 nmol·L-1[Ru(NH3)6]3+containing 0.1 mol·L-1 KCl

2.3.2 DA的电化学行为

采用CV 法和DPV 法考察了化合物1 修饰前后电极在含有74 μmol·L-1DA 的0.1 mol·L-1的PBS 溶液(pH=5)中对DA 的电化学传感性能。从图6a 中可以观察到，在-0.2～1.0 V 的电压范围内，当以裸GCE作为工作电极时，在0.43、0.34 V 处仅有一对微弱的氧化还原峰出现。而在化合物1 修饰的电极上，在0.56、0.15 V 处出现明显的DA 的特征氧化还原峰[22-23]。这与DPV 图中1/GCE(Ipa=10.5 μA)相比于裸GCE(Ipa=2.6 μA)具有明显增强的氧化峰电流相吻合(图6b)。此外，DA 的氧化峰位置正移，还原峰负移，也表明与裸GCE 相比，1/GCE 对DA 有更好的电化学响应，这可以归因于化合物1 结构骨架中的甲基可以作为传感的识别位点和MOF多孔的结构[24]。

图6 在含有74 μmol·L-1 DA的PBS(pH=5)中,化合物1修饰前后电极的(a)CV曲线和(b)DPV曲线Fig.6 (a)CV curves and(b)DPV curves of the electrode before and after modification with compound 1 in PBS(pH=5)containing 74 μmol·L-1 DA

2.3.3 最佳条件的选择

考虑到电化学传感性能受溶液pH、电极表面材料的负载量和负载浓度的影响，因而对这些参数进行了优化。在不同pH 的PBS 中，采用DPV 法探究了溶液pH 对DA 在化合物1/GCE 电极上的电化学过程的影响，结果如图7a 所示。当pH 从4 增加到8时，峰值电流先增加再减小，在pH=5 时电流响应达到最大[25-26]。此外，随着溶液pH 的增加，氧化峰电位Epa向负方向偏移，表明有质子参与了氧化过程。如图7b所示，Epa与pH之间存在良好的线性关系，其线性公式为Epa=-0.057pH+0.776(R2=0.964)，斜率值-57 mV 近似等于-59 mV 的理论斜率[27]，表明在DA氧化过程中发生了双质子转移。

图7 在含74 μmol·L-1 DA的不同pH的PBS中,1/GCE的(a)DPV曲线和(b)Epa随pH变化的线性拟合图;在含74 μmol·L-1 DA的PBS中(pH=5),(c)不同负载量和(d)不同负载浓度的1/GCE的DPV曲线Fig.7 (a)DPV curves and(b)the relationship between Epa and pH of 1/GCE in PBS of different pH values containing 74 μmol·L-1 DA;DPV curves of 1/GCE with(c)different load volumes and(d)different load concentrations in PBS(pH=5)containing 74 μmol·L-1 DA

之后，对电极表面滴涂用量进行优化。如图7c所示，当滴涂量在4～6 μL 范围时，DPV 响应电流随着滴涂量的增加而增大。而当滴涂量继续增加至8 μL 时，DPV 响应电流却显著降低，可能是因为材料的滴涂量过大而阻碍了电极与传感底物之间的电子转移[28]，因此在后续实验中选择滴涂量为6 μL。采用同样方法在0.1～0.5 mg·mL-1范围内对滴涂浓度进行优化(图7d)。结果发现，当负载浓度在0.1～0.2 mg·mL-1范围时，电流随着浓度的增加而增大。而当负载浓度进一步增加到0.5 mg·mL-1时，峰值电流明显减小，这是因为在较高的浓度下，化合物1的饱和导致部分活性位点被覆盖，从而降低了灵敏度[29]。因而，后续实验均在最优条件(pH=5，滴涂量为6 μL，滴涂浓度为0.2 mg·mL-1)下进行。

2.3.4 电化学传感的动力学

为了评价在化合物1 修饰电极上DA 氧化还原反应的动力学特性，在含有74 μmol·L-1DA 的0.1 mol·L-1的PBS 中(pH=5)，在不同扫描速率下(50～500 mV·s-1)进行CV 测试。如图8a 所示，随着扫描速率的增加，氧化峰和还原峰分别向正、负电位区域移动，且峰电流值随之增加。如图8b 所示，氧化峰电流Ipa与扫速的平方根之间存在良好的线性关系(Ipa=34.96v1/2+2.98，R2=0.992)[30-31]，表明DA 在化合物1/GCE 电极上的电化学反应是一个受扩散控制的准可逆电化学过程。

图8 (a)在含有74 μmol·L-1 DA的PBS(pH5)中,1/GCE在不同扫速下获得的CV响应;(b)Ipa与v1/2之间的校准曲线;(c)Epa与ln v之间的校准曲线Fig.8 (a)CV responses obtained by 1/GCE at different sweep rates in PBS(pH=5)containing 74 μmol·L-1 DA;(b)Calibration curve between Ipa and v1/2;(c)Calibration curve of Epa vs ln v

此外，在50～500 mV·s-1的扫描速率范围内，氧化峰电位Epa与lnv呈显著的线性相关(图8c)，其线性回归方程为Epa=0.055lnv+1.74(R2=0.991)[32]。根据Laviron 方程Epa=E0+RTlnv/[(1-α)nF]，可以估算阳极氧化过程的电子数和电子转移系数，其中E0是由Epa-lnv线性关系图得到的截距，R为摩尔气体常数(8.314 J·mol-1·K-1)，T为常温(298.15 K)，α为电子转移系数，n为转移数，F为法拉第常数(96485 C·mol-1)，v为扫描速率(V·s-1)，一般假定DA 氧化过程的电子转移系数α为0.5，则计算所得其电子转移数n≈2，表明DA 的氧化还原反应涉及2 个电子转移[33]。结合Epa与pH 的关系(图7b)，可以认为DA 在化合物1/GCE 电极表面发生了两电子两质子转移的可逆氧化还原反应[34]。

2.3.5 电化学传感器的灵敏度

在上述优化的实验条件下，研究了基于化合物1/GCE 修饰电极的电化学传感器对不同浓度DA 的DPV 响应。从图9 中可以看出，在0.4～764.7 μmol·L-1范围内，氧化峰电流Ipa随着DA 浓度的增加而逐渐增大。如图9a 和9b 所示，当DA 浓度在0.4～90.0 μmol·L-1范围内时，线性方程为Ipa=0.116cDA-0.0458(R2=0.999)；而当DA 浓度在90.0～764.7 μmol·L-1范围内时，线性方程为Ipa=0.0317cDA+7.30(R2=0.985，图9c 和9d)。因此，1/GCE 电极对DA 的LOD 为56.8 nmol·L-1，线性范围为0.4～764.7 μmol·L-1。与其他已报道过的DA传感器相比，1/GCE具有较低的LOD和较宽的线性范围(表3)。综上可知，所制备的基于化合物1/GCE电极的电化学传感器具有检出限低和线性范围宽的优点，这为DA 的高效检测奠定了坚实的基础。

图9 1/GCE对0.4～90.0 μmol·L-1 DA的(a)DPV响应及(b)相应的Ipa与cDA之间的校准曲线;1/GCE对90.0～764.7 μmol·L-1 DA的(c)DPV响应及(d)Ipa与cDA之间校准曲线Fig.9 (a)DPV responses obtained by 1/GCE in the presence of 0.4-90.0 μmol·L-1 DA and(b)corresponding calibration curve between Ipa and cDA;(c)DPV responses obtained by 1/GCE electrodes in the presence of 90.0-764.7 μmol·L-1 DA and(d)corresponding calibration curve between Ipa and cDA

表3 本研究中的传感器与先前报道的传感器的比较Table 3 Comparison of the as-fabricated sensor with some previously reported sensors

2.3.6 电化学传感器的重复性、再现性和抗干扰性

通过记录0.1 mol·L-1PBS(pH=5)中74 μmol·L-1DA 氧化的电流响应，验证了传感器的再现性和可重现性。图10展现了1根电极重复6次所得到的结果和5 根不同的电极各测1 次所得到的结果，由图10a和10b可知，1根电极测量6次和5根电极各测量1 次之后电流的相对大小依然基本保持不变，DA 在化合物1/GCE 电极上的氧化电流相对标准偏差(RSD)分别为1.7%和4.8%，表明该方法具有较高重复性和再现性。

图10 (a)一根1/GCE平行测定5次74 μmol·L-1 DA的DPV响应;(b)6根1/GCE平行测定74 μmol·L-1 DA的DPV响应;(c)1/GCE在不同干扰条件下检测DA的选择性Fig.10 (a)DPV responses of a 1/GCE electrode in 74 μmol·L-1 DA five times parallelly;(b)DPV responses of six 1/GCE electrodes in 74 μmol·L-1 DA parallelly;(c)Selectivity of 1/GCE for the detection of DA in the presence of different interferents

此外，还研究了1/GCE 电极在NaCl、KCl、尿酸(UA)、抗坏血酸(AA)、葡萄糖(Glu)等常见干扰物存在时(浓度为DA 浓度的10 倍)检测DA 的选择性。如图10c 所示，在存在高浓度干扰物的情况下，响应电流没有明显的变化。这表明1/GCE 对DA 有优异的选择性，进一步说明了该修饰电极的优异性能。

2.3.7 实际样品分析

为了检测构建传感平台的可行性，对人血清进行了DA 检测：人血样本取自山西师范大学校医院健康志愿者，取5 mL人血样本在10 000 r·min-1下离心30 min，取人血清样本，无需其他处理，最后用PBS(pH=5)将人血清稀释50倍后进行分析。首先对真实样本进行分析，以确定真实样本中是否存在DA，发现真实样本中DA 的浓度为0.74 μmol·L-1。进而配制成不同浓度的DA，然后使用标准加入法将不同特定浓度的DA 加入血清中，从而制备样品。如表4中的结果显示，DA 在人血清样本中的回收率在95.23%～100.90%之间。这些结果表明，1/GCE 电极在真实样本中可以有效地分析DA。

表4 稀释人血清样本中DA的测定Table 4 Determination of DA in diluted human serum samples

3 结 论

为了达到灵敏检测DA 的目的，我们成功构建了一个Cd-MOF 电化学传感平台，该传感平台通过修饰材料三维结构孔道壁中丰富的甲基基团来增强材料的疏水性进而增强在传感体系中的稳定性，材料结构中未配位的羟基氧原子与DA 之间形成氢键作用，从而增加与底物的识别位点，结果显示为传感信号的增强。该传感器具有良好的稳定性和重现性，这项工作为功能化MOF 材料用于DA 传感器提供了新的思路，并且有可能很快扩展到其他分子的电化学检测应用中。