基于Ni-MOF/MWCNTs和分子印迹聚合物的双功能硫辛酸增强比率电化学传感器,用于双酚A的检测

《Journal of Electroanalytical Chemistry》:Dual-role thionine-enabled ratiometric electrochemical sensor based on Ni-MOF/MWCNTs and molecularly imprinted polymer for bisphenol a detection

【字体: 时间:2025年11月03日 来源:Journal of Electroanalytical Chemistry 4.1

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  比率电化学传感器检测双酚A:Ni-MOF/MWCNTs复合材料与Thionine功能化MIP的协同应用,实现高灵敏度(检测限1.1 nM)、选择性及环境稳定性,有效应用于真实水样分析。

  
Jianlei Wu|Haiyan Wu|Nian Huang|Jean-Fran?ois Masson|Haifeng Zhou
江苏理工大学资源与环境工程学院,中国江苏省常州市中吴路1801号,213001

摘要

在本研究中,采用了一种基于镍的金属有机框架(Ni-MOF)和多壁碳纳米管(MWCNTs)复合材料作为电极修饰材料,用于比酚A(BPA)的比率电化学传感器。硫辛酸在分子印迹聚合物(MIP)中同时充当功能单体和内部参考探针的双重角色,从而提高了传感器的灵敏度和选择性。Ni-MOF/MWCNTs复合材料提供了较大的活性表面积并改善了电子转移效率,有助于传感器的高性能。在优化条件下,该传感器的检测范围为5至400 nM,检测限为1.1 nM(信噪比=3)。它表现出良好的重复性(RSD=3.4%)以及对BPA类似物和其他潜在干扰物的选择性。该传感器成功应用于实际水样中BPA的检测,回收率在88%到109%之间。本研究表明,Ni-MOF/MWCNTs复合材料与具有双重功能的硫辛酸功能化的MIP的有效集成,适用于灵敏和选择性的环境监测应用。

引言

比酚A(BPA),也称为2,2-双(4-羟基苯基)丙烷,是一种具有雌激素活性的有害化学物质,能够破坏内分泌系统并对生殖发育产生不利影响[1,2]。长期接触BPA与一系列健康问题有关,包括生育能力下降、癌症风险增加和免疫功能受损[3,4]。由于其耐热性、轻质、耐酸性和机械强度等优良特性,BPA被广泛用于制造婴儿奶瓶、食品容器、医疗设备以及其他日常生活必需的产品[5,6]。因此,迫切需要准确且快速的方法来监测BPA污染。
已经开发了几种用于检测BPA的分析技术,包括高效液相色谱(HPLC)、气相色谱(GC)和电化学传感[7,8]。其中,电化学传感器因其响应时间快、操作简便和成本低而特别吸引人[9]。然而,基于裸电极的传统传感器通常灵敏度不足,需要使用适当的电极修饰材料,如碳纳米管、金属或金属氧化物材料等,以增强信号并提高灵敏度[10]。
金属有机框架(MOF)材料是一类通过金属离子或簇与有机配体配位构建的多孔晶体材料。它们可调的孔结构、高表面积和化学多样性使其在气体储存、分离和催化应用中具有吸引力[11,12]。然而,MOF本身导电性较差,限制了其在电化学传感中的直接应用。为克服这一挑战,已将具有优异电子传输能力的多壁碳纳米管(MWCNTs)与MOF结合[13]。这种混合材料在保持MOF的大比表面积和孔隙度的同时,显著提高了导电性,为灵敏的电化学分析提供了有前景的平台。
选择性是决定传感器性能的另一个关键参数。分子印迹聚合物(MIP)是一种合成材料,其具有与目标分子在形状和功能上高度互补的特异性识别位点[14],[15],[16],[17]。分子印迹电化学传感器(MIECS)结合了MIP的特异性识别能力和电化学转换的固有灵敏度及微型化潜力,实现了成本效益高且选择性的检测[18]。
尽管具有这些优势,传统的单信号电化学传感器在制备和操作过程中容易受到外部因素的影响,导致稳定性和重复性下降[19],[20],[21],[22]。为了解决这些限制,比率传感策略作为一种有效的方法应运而生。通过内置参考信号,比率传感器提供了内部校准,从而补偿环境和仪器变化,提高了准确性和可靠性[23],[24],[25]。特别是比率双信号电化学传感器,能够同时进行信号转换和内部参考,显著提高了检测精度和灵敏度。
在本研究中,我们报道了一种高选择性、灵敏度和稳定的比率电化学传感器,用于BPA的测定,该传感器通过将Ni-MOF/MWCNTs复合材料与MIP结合构建(方案1)。硫辛酸(Thi)既作为印迹的功能单体,也作为内部参考氧化还原探针使用,确保了均匀掺入并增强了信号稳定性。Ni-MOF和MWCNTs的协同组合不仅提高了导电性,还增加了电活性表面积,从而增强了传感响应。与之前报道的比率或基于MIP的系统[19,26,27]不同,本研究将双重功能的Thi-MIP概念与MOF/MWCNTs复合材料相结合。这种基于MOF/MWCNTs的双功能Thi-MIP策略实现了内在的信号自校准,有效最小化了环境和仪器的干扰,为BPA在环境样品中的监测提供了有利的分析性能和实际应用性。

试剂和设备

Ni(NO3)2·6H2O、1,3,5-苯三羧酸(H3BTC)、K2HPO4、KH2PO4、硫辛酸、比酚A(BPA)、比酚E(BPE)、比酚S(BPS)、比酚P(BPP)、比酚M(BPM)由上海MackLin生化有限公司提供。NN-二甲基甲酰胺(DMF)由上海Bhor化学试剂有限公司提供。多壁碳纳米管(MWCNTs)由南京XFnano材料有限公司提供。乙醇、壳聚糖、CH3COOH、H2SO4、K3[Fe(CN6)、KCl和间苯二酚(RS)由其他公司提供

Ni-MOF和Ni-MOF/MWCNTs的表征

Ni-MOF、MWCNTs和Ni-MOF/MWCNTs材料的表面形态通过SEM进行了表征。如图1A所示,合成的Ni-MOF呈现出均匀的球形形态,平均直径约为300 nm。图1B显示MWCNTs具有圆柱形结构,看起来弯曲且相互缠绕。Ni-MOF/MWCNTs复合材料的SEM图像(图1C)显示,球形的Ni-MOF嵌入在MWCNTs的交织网络中

结论

总之,成功开发了一种基于Ni-MOF/MWCNTs和MIP的双功能Thi比率电化学传感器,用于BPA的灵敏和选择性检测。Thi在MIP制备中既作为功能单体,也作为内在的氧化还原探针,实现了有效的内部校准策略,提高了检测可靠性。Ni-MOF和MWCNTs的结合在导电性和表面积方面提供了协同增强

CRediT作者贡献声明

Jianlei Wu:撰写——原始草稿、方法学、数据管理、概念构思。Haiyan Wu:撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、监督、方法学、资金获取、数据管理、概念构思。Nian Huang:方法学、实验研究、形式分析。Jean-Fran?ois Masson:撰写——审阅与编辑、监督。Haifeng Zhou:方法学、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金(编号22106009)、江苏省产学研合作项目(编号BY20240482)和江苏理工大学产学研合作项目(编号KYH24270)的财政支持。
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