基于钨氧化物嵌入氮掺杂碳纳米管电极检测细胞外氧化应激的研究

《Microchemical Journal》：Tungsten oxide-like species embedded nitrogen-doped carbon nanotubes electrode developed to measure extracellular oxidative stress

　　

研究人员开发了一种将类氧化钨物种嵌入氮掺杂碳纳米管（CNTN-W）的电极，用于电化学监测过氧化氢（H2O2）。富含W-O的位点能够实现H2O2还原的电催化放大。该传感器实现了6.789 μA μM?1 cm?2的灵敏度和1.5 μM的检出限（LOD）。该平台将H2O2传感与早期水生氧化应激评估联系起来。

论文解读文章

研究背景与意义

随着塑料颗粒、药物、农药及含金属污染物等新兴污染物的持续排放，水生生物长期暴露于复杂的混合物环境中。传统的基于单一化学物质浓度测量的水质评估方法难以全面反映污染物的综合生物效应。因此，基于效应的监测（Effect-based monitoring, EBM）正逐渐兴起，旨在评估化学混合物对水生生态系统的累积生物学影响。电化学传感技术因其响应快速、仪器相对简单且具备便携化潜力，成为整合生物响应指标到环境监测中的有力工具。其中，过氧化氢（H₂O₂）作为氧化应激过程中的关键信号分子，在生物受到扰动后会被释放到胞外环境中。与传统生化测定需收集生物体、破坏组织或进行化学标记不同，胞外H₂O₂可通过对生物体最小干扰的方式直接在周围介质中测量。因此，开发高灵敏度的H₂O₂电化学传感界面，对于实现水生系统中氧化应激相关反应的时间分辨评估具有重要意义。

然而，电化学传感器的性能高度依赖于高效的电子传输和可及的催化活性位点。碳纳米管（Carbon nanotubes, CNTs）因其优异的导电性、高长径比和结构稳定性而被广泛用作导电载体，但原始CNTs对H₂O₂还原的催化活性有限。将过渡金属物种引入杂原子掺杂的碳框架中是一种有效的策略，但如何实现催化物种的有效分布并在热处理过程中维持其与碳框架的电子耦合是一个关键的材料设计挑战。聚多巴胺（Polydopamine, PDA）提供了一种通用解决方案，其可通过氧化自聚合在羧基化CNTs表面形成均匀涂层，同时利用儿茶酚、醌和胺官能团固定金属前驱体。随后的热解可将PDA层转化为氮掺杂碳层，并将固定的金属前驱体转化为碳负载的含金属物种。在此结构中，CNT骨架提供导电通路，PDA衍生的碳层提供杂原子界面环境，而固定的金属物种则提供潜在的催化位点。热解温度至关重要，因为它同时影响碳框架的发展和嵌入金属物种的化学环境、分布及可及性。因此，单纯优化碳化是不够的，还必须保持催化界面的完整性。

基于上述考虑，研究人员选择含钨物种，因其氧配位的表面环境可参与电化学氧化还原过程。通过PDA辅助的前驱体固定策略，将WCl₆固定在PDA包覆的CNTs上，随后在氮气气氛下热解，成功开发了嵌入氮掺杂碳纳米管的类氧化钨物种（CNTN-W）。该材料旨在将导电CNT框架、PDA衍生的氮掺杂碳壳以及分散的富W-O表面物种整合到一个电极材料中。研究人员探究了钨前驱体负载量和热解温度对界面电化学性质和H₂O₂响应的影响，并提出了基于W-O中心的催化机制。作为概念验证，优化后的CNTN-W电极被应用于监测暴露于50 nm聚苯乙烯纳米颗粒的水生生物水螅（Hydra）所释放的胞外H₂O₂。这项工作建立了用于生物相关水性介质中H₂O₂传感的含钨碳界面，并为未来旨在监测胞外氧化应激的小型化电极提供了材料和分析基础。

主要技术方法概述

研究人员采用聚多巴胺辅助策略合成CNTN-W。首先，将羧基功能化的多壁碳纳米管分散于水中，加入三羟甲基氨基甲烷（Tris）和多巴胺盐酸盐，通过多巴胺的氧化自聚合在CNTs表面形成PDA涂层。随后加入不同浓度的WCl₆溶液，利用PDA的儿茶酚和胺基团锚定钨物种，得到CNT-PDA-W前驱体。最后，将前驱体在不同温度（600-900 °C）下于氮气气氛中进行热解，得到最终产物CNTN-W。电化学测试采用标准三电极体系，以玻碳电极（GCE）或修饰GCE为工作电极，铂丝为对电极，Ag/AgCl为参比电极。循环伏安法（CV）、计时电流法（CA）和电化学阻抗谱（EIS）用于表征材料的电化学性能和H₂O₂传感性能。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱（Raman）和X射线光电子能谱（XPS）对材料形貌和组成进行了表征。

研究结果

3.1 CNTN-W的设计可行性

研究人员通过调节WCl₆浓度（5、10、20 mM）来优化W掺杂水平。CV和EIS结果表明，10 mM WCl₆制备的材料表现出最优的氧化还原探针[Fe(CN)₆]^3?/4-响应，表明该浓度下形成了更优的界面结构，兼具足够的钨物种和可及的纳米管网络。进一步考察热解温度（600-900 °C）的影响发现，700 °C热解的材料（CNTN-W-700）展现出最佳的阻抗响应。600 °C时PDA碳化不完全，限制了电子连通性；800-900 °C时虽可能增强碳有序度，但会导致表面官能团减少和活性位点聚集。因此，最佳性能需要在碳导电性、钨位点分布和电解质相互作用可及性之间取得平衡。

3.2 CNTN-W的表征

SEM图像显示，CNTN-W保持了相互连接的纳米管网络，表面粗糙增厚。TEM证实了核壳结构，CNT核心被一层约7.8 nm厚的共形外层包裹。高分辨TEM未观察到晶格条纹，表明W域结晶度低或分散良好。TEM-EDS映射显示C、N均匀分布，W信号沿CNT轮廓连续分布而非孤立聚集，表明PDA衍生层有效锚定了W物种。拉曼光谱显示热解后I_D/I_G比值从~0.9降至~0.7，表明石墨化程度提高。XPS分析显示，C、O、N、W的质量百分比分别为93.7%、5.61%、0.28%和0.41%。N 1s谱显示吡啶氮、石墨氮和氧化氮等多种氮环境。W 4f谱以W(VI)为主，对应W-O键。O 1s谱确认了WO_x中的晶格氧、缺陷相关氧物种以及碳基质中的含氧官能团。

3.3 CNTN-W对H₂O₂的检测机理

研究发现，CNTN-W在PBS中呈现一对归属于表面W-O氧化还原位点的特征峰，而CNTN则无此峰。加入H₂O₂后，阴极电流显著增大，阳极电流基本不变，表明H₂O₂参与了表面氧化还原循环。研究人员提出EC′催化机制：在阴极扫描中，W(VI)-oxo位点被电化学还原为W(V)-OH中间体，随后H₂O₂将其化学再氧化回W(VI)-oxo，再生电活性表面态并实现重复电子转移，从而放大阴极电流。扫速实验显示峰电流与扫速平方根呈线性关系，表明反应受扩散控制，支持该EC′机制。通过计时电流法计算得催化速率常数（K_cat）为4.38 × 10⁴ M^?1 s^?1，表明CNTN-W对H₂O₂具有满意的电催化活性。

3.4 H₂O₂的电化学传感

CV结果显示，随着H₂O₂浓度增加（0-8 mM），阴极电流逐步增大。校准曲线呈现两段线性关系：低浓度范围（0-2 mM）灵敏度为1.035 μA μM^?1 cm^?2，检出限（LOD）约为26.5 μM；高浓度范围灵敏度降低，可能与活性位点饱和有关。计时电流法在-0.65 V固定电位下进行，可分辨0.5和1 μM的低浓度添加。校准曲线同样呈现两段线性，低浓度范围灵敏度达6.789 μA μM^?1 cm^?2，LOD约为1.5 μM，定量限（LOQ）为5.01 μM。这表明CNTN-W在中性PBS中提供了有效的H₂O₂检测界面。

3.5 重现性、稳定性、选择性及实际样品评估

稳定性测试表明，CNTN-W电极在室温储存30天后仍保持相对稳定的电流响应，即使经过60次重复测量也仅有微小变化，这归因于CNT骨架、PDA衍生氮掺杂碳壳和锚定W-O域的协同复合效应。作为概念验证，研究人员将水螅暴露于15 mg L^?1的50 nm聚苯乙烯纳米颗粒中8小时，然后收集条件培养基进行电化学检测。在初始阶段（1000秒内），电流保持稳定基线，表明电极在复杂生物基质中未受明显生物污染或干扰。随后加标实验显示电流阶梯式上升，证实CNTN-W可在水螅相关基质中工作。在实际样品基质中，低浓度范围的灵敏度为7.762 μA μM^?1 cm^?2，LOD约为4.49 μM。与其它碳基电化学传感器相比，CNTN-W在灵敏度方面具有显著优势。

讨论与结论

本研究成功开发了钨氧化物嵌入氮掺杂碳纳米管（CNTN-W）作为电化学平台，用于监测污染物诱导氧化应激过程中的胞外H₂O₂。该材料通过聚多巴胺辅助策略合成，形成了导电CNT框架、氮掺杂碳壳和稳定W-O表面位点的分级结构。电化学性能强烈依赖于W前驱体浓度和热解温度，CNTN-W（10 mM WCl₆，700 °C）表现出最优活性。传感机制遵循W中心电催化过程，即电化学生成的还原态钨物种被H₂O₂化学再氧化，导致催化电流放大。CNTN-W在PBS中实现了灵敏且浓度依赖的H₂O₂检测，在微摩尔水平具有可靠的计时电流响应和良好的操作稳定性。该平台进一步应用于水螅-纳米塑料暴露系统，展示了其在生物相关环境中监测胞外H₂O₂相关信号的能力。总体而言，这项工作通过靶向胞外H₂O₂作为氧化应激的早期指标，将钨基电催化与基于效应的环境监测联系起来。这些电极最终适用于不断发展的基于效应的监测仪器，作为化学监测的补充手段。