基于2D卟啉金属有机框架纳米材料的高性能电化学传感*

王 燕，白武双，徐 玥

(1.西安医学院 药学院，陕西 西安 710021；2.西北大学 食品科学与工程学院，陕西 西安 710069)

亚硝酸盐是一种常见的食品添加剂，过量添加会严重影响人们身体健康[1-2]。与色谱类检测方法相比，电化学传感方法具有快速、准确、经济、环保的特点。构建基于纳米材料良好的催化活性、较强的吸附能力和较大的比表面积等特点的电化学传感器展现出更高传感性能[3-4]。金属有机框架(metal organic frameworks，简称MOFs)纳米材料因其孔隙率、内比表面积高以及组成和结构上的多样性，特别是以卟啉(TCPP)为配体的MOFs材料，同时还展现出仿生酶的特性，给电化学传感研究带来新的启发[5-7]。实验制备了二维卟啉金属有机框架(2D-TCPP MOFs)纳米材料，用于亚硝酸根电化学传感器构置，建立了检测牛奶中亚硝酸盐和制备该纳米材料新方法。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

Co(NO3)2·6H2O、C2H5OH、NaNO2、Na2CO3、Na2SO4、KNO3、K2CO3、NaCl：天津市天力化学试剂有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；以上试剂均为分析纯。

电化学工作站：CHI660A，上海辰华仪器有限公司；扫描电子显微镜(SEM)：JSM6700F， X射线衍射分析仪(XRD)：D/MAX-3C， X射线能谱仪(EDS)：JSM6700F，日本理学电机株式会社；透射电子显微镜(TEM)：G2F20S-TWIN，美国田纳西FEI公司；台式离心机：TGL-16G， 上海安亭科学仪器厂。

1.2 不同形貌的Co-TCPP MOFs纳米材料的制备

采用水热法，量取DMF 3 mL、乙醇9 mL加入烧杯中混合均匀，然后称量20 mg PVP与15 mg Co(NO3)2·6H2O溶于上述混合液。在磁力搅拌条件下把12 mg TCPP慢慢加入到混合溶液中。将上述溶液充分混匀，进而转移至25 mL的反应釜中，将该反应釜置于烘箱，80 ℃下反应24 h，取出反应釜，冷却至室温，在10 000 r/min的条件下离心洗涤，用乙醇洗涤3次，将剩余固体物质在50 ℃条件下烘干6 h，干燥后成深棕色片状形态。

1.3 Co-TCPP MOFs/玻碳电极(GCE)修饰电极的构置

GCE在修饰之前，分别用1.0 μmol/L和0.3 μmol/L的氧化铝粉抛光打磨至表面呈镜面。随后分别在乙醇、水中超声彻底清洁其表面，再用蒸馏水冲洗3遍，用氮气吹干备用。称取1.0 mg Co-TCPP MOFs纳米材料，溶于1 mLw(壳聚糖)=5%水溶液中，并在超声波处理条件下使其彻底分散。最后移取7 μL上述混合溶液，滴涂于清洁的GCE表面，室温下自然干燥12 h，修饰电极表示为Co-TCPP/GCE。

2 结果与讨论

2.1 电极表面修饰物的表征

分别采用SEM和TEM对Co-TCPP微观结构形貌进行表征，结果见图1。

a SEM

由图1a、1b可知，所制备的Co-TCPP材料呈现出2D片状形貌，其直径为微米级别，由图1c可知，该材料表面较为光滑，且厚度较薄，所制备的Co-TCPP为2D薄片状纳米材料。

Co-TCPP MOFs的EDS图见图2a， Co-TCPP MOFs和TCPP的XRD表征结果见图2b。

E/keVa Co-TCPP MOFs的EDS图

通过该材料的EDS分析结果可知，所制备的纳米材料包含有C、N、O、Co等元素。对比图2b中的TCPP和Co-TCPP MOFs的表征结果可知，两者均出现TCPP的特征衍射峰； TCPP的峰形比较尖锐，强度较大，而Co-TCPP MOFs的峰强度与其相比较弱，表明所制备的Co-TCPP MOFs纳米材料越趋近于非晶体状，也就是2D状态。

综上所述，结合SEM、TEM、EDS与XRD的表征结果可知，该实验成功制备了2D Co-TCPP MOFs纳米材料。

2.2 Co-TCPP/GCE的电化学行为研究

分别使用裸GCE和Co-TCPP/GCE，在pH=7的磷酸盐缓冲液(PBS)底液中加入c(NaNO2)=1 mmol/L溶液，测得前后的循环伏安(Cyclic voltammetry，简称CV)曲线，加入NaNO2后电极的响应结果见图3。

E/V(vs.SCE)a Co-TCPP/GCE加入NaNO2的CV曲线

由图3a可知，a、b曲线分别为裸电极(GCE)对NaNO2的响应，响应微弱。c、d曲线为修饰电极Co-TCPP/GCE对NaNO2的响应，响应显著，说明修饰材料对亚硝酸根有更好的催化氧化作用。

由图3b可知， Co-TCPP/GCE对不同浓度亚硝酸根的CV曲线，c(PBS)=1 mol/L溶液，扫速为0.1 V/s，随着c(NaNO2)(a→i：0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5 mmol/L)的不断增大，Co-TCPP/GCE的氧化峰电流也不断增大，峰电流值与c(NaNO2)的线性关系见图3c，呈现出良好的线性关系。

2.3 选择工作电位

采用计时安培法在检测电压为0.7～1.0 V的工作电位区域内，对该电极对亚硝酸根的电催化氧化的影响能力进行检测，结果见图4。

t/s

由图4可知，上述CV实验结果可以看出，Co-TCPP/GCE催化亚硝酸根的氧化峰电位处于0.9～1.0 V，实验中在电位a～e为0.7、0.8、0.85、0.9、1.0 V的电压下对电极电流(I)随时间(t)的响应变化进行实验，即I-t曲线，当催化电位为0.8 V时，即b曲线，得到的I-t曲线响应平稳，干扰较低，因此，选用0.8 V为最佳催化电位进行后续I-t实验。

2.4 安培法检测亚硝酸盐

在工作电位为0.8 V的电压下，采用I-t安培电流检测法，对Co-TCPP/GCE纳米材料进行检测浓度与电流响应实验，结果见图5。

t/sa Co-TCPP/GCE对不同c(亚硝酸盐)的I-t曲线

由图5可知，实验条件优化后，相应电流值呈台阶状不断增大，随着c(NaNO2)的不断增加，台阶响应电流值呈现良好的线性关系，线性拟合曲线见图5b，电流在c(NaNO2)=1.0×10-3～1.388 mmol/L，其相关系数R2=0.995 6，线性方程为y=0.043 5x+0.800 9，检出限为0.617 μmol/L，信噪比为3。

将实验中纳米材料修饰的传感器主要性能与其他已报道的亚硝酸盐电化学传感器的性能相比，结果见表1。

表1 该传感器与文献报道的亚硝酸盐传感器的性能比较

由表1可知，Co-TCPP/GCE纳米材料修饰电极线性范围较宽，检出限较低。

2.5 抗干扰能力、重现性和稳定性测试

对Co-TCPP/GCE材料的抗干扰能力进行测试，实际样品检测中， Na2CO3、Na2SO4、KNO3、K2CO3、NaCl作为常见干扰物质，与亚硝酸盐共存，对该传感器检测造成干扰[8-11]，结果见图6。

由图6可知，在0.8 V的操作电位下向底液中加入1.0 mmol/L的NaNO2可观察到明显的响应台阶，而在相隔50 s的时间依次加入1.0 mmol/L 的Na2CO3、Na2SO4、KNO3、K2CO3、NaCl后响应电流无变化，这说明该传感器对如上常见干扰物质有着很好的抗干扰性能。

t/s

对传感器的重现性和稳定性也进行了研究，用5根同样的Co-TCPP/GCE分别对等量亚硝酸盐测定，得到的电流响应值的相对标准偏差(RSD)约为3%，这表明该传感器具有较好的重现性。

为了研究传感器的稳定性，用同一根Co-TCPP/GCE修饰电极检测亚硝酸盐，并记录其电流响应值，21 d后再次测试相同浓度的亚硝酸盐，电流响应信号为原始电流响应信号的90%，这表明修饰电极具有较好的稳定性。

2.6 应用

根据GB 5009.33—2016[12]对牛奶样品进行处理。将53.5 g ZnSO4·7H2O溶于水中并稀释至100 mL。取50 mL脱脂牛奶(蒙牛牛奶：7E20190902FN09Uc)，用20 mL蒸馏水稀释，加入不同剂量的NaNO2(20、50、100 μmol/L)，为了沉淀脱脂牛奶里的蛋白，减少检测时蛋白质在电极附近聚集，加入15 mL ZnSO4溶液，同时加入15 mL pH=7的PBS溶液进行搅拌，搅拌后静置1 h，取上层清液过滤，得到滤液待测[12]，结果见表2。

表2 实验测定牛奶样品中c(亚硝酸盐)

由表2可知，其回收率为99.45%～102.6%，表明该传感器可用于实际样品中亚硝酸盐的定量检测。

3 结 论

采用水热法制备了2D Co-TCPP MOFs纳米材料，用该材料制得Co-TCPP/GCE修饰电极，构置了一种亚硝酸盐电化学传感器。

通过一系列研究表明，所制备的Co-TCPP MOFs纳米材料对亚硝酸盐展现出良好的电化学催化特性。该传感器检测亚硝酸根检出限低至0.617 μmol/L，线性范围宽至1 μmol/L～1.388 mmol/L，并展现出良好的重现性、稳定性和抗干扰能力。同时，将该电极应用于牛奶样品中亚硝酸盐含量的测定，进而建立了基于MOFs纳米材料检测食品中亚硝酸盐的新方法，该研究为食品中亚硝酸盐的检测提供了新思路，同时为二维MOFs纳米材料的可控制备提供借鉴。