利用深共晶溶剂辅助的钙钛矿类似物镁锆酸盐的溶剂热合成方法，用于多巴胺的电化学检测 作者：Abdulmohsen K. D. Alsukaibi, Tse-Wei Chen, Shen-Ming Chen, Mohd Wajid A. Khan, Subuhi Sherwani, Khalid Almutair, Faheem Ahmed, Lassaad Mechi, Murugan Velmurugan

《Catalysts》：Solvothermal Synthesis of Perovskite-like Magnesium Zirconate Assisted by Deep Eutectic Solvent for Electrochemical Detection of Dopamine Abdulmohsen K. D. Alsukaibi, Tse-Wei Chen, Shen-Ming Chen, Mohd Wajid A. Khan, Subuhi Sherwani, Khalid Almutair, Faheem Ahmed, Lassaad Mechi and Murugan Velmurugan

　　摘要 本研究开发了一种基于镁锆酸盐（MgZrO3）的电化学传感器，该传感器采用深共晶溶剂（DES）辅助方法合成，用于检测多巴胺。通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、场发射扫描电子显微镜、能量分散光谱和元素映射技术表征了MgZrO3的结构和形态特性。利用循环伏安法和差分脉冲伏安法评估了MgZrO3修饰的玻璃碳电极（GCE）的电化学性能。MgZrO3/GCE在磷酸盐缓冲溶液（PBS，pH 7.0）中对多巴胺表现出增强的氧化还原响应和较低的氧化电位，表明其电催化活性优于裸电极。这种改进归因于材料活表面积的增加和电荷转移动力学的改善。在优化条件下，传感器在0.3–80 μM的浓度范围内表现出线性响应，检测限为127 nM，定量限为423 nM。MgZrO3/GCE在常见干扰物质存在下也显示出良好的选择性，并成功应用于生物样品中的多巴胺检测，获得了满意的回收结果。本研究的结果为该领域知识体系的丰富做出了贡献，并为开发用于临床和乳腺癌治疗相关研究中的先进电化学传感器开辟了新的可能性。

1. 引言
神经递质是快速作用的化学信使，在全身神经细胞之间传递、稳定和放大信号方面起着关键作用[1,2]。其中，多巴胺是一种单胺类儿茶酚胺神经递质，在人类中枢神经系统中起着重要作用。它调节细胞间通信过程，包括动机、运动、注意力、冲动控制以及肾功能[3,4,5,6]。由于其重要的生理作用，多巴胺在癌症生物标志物、光动力疗法、创伤性脑损伤和神经发育障碍等多个领域受到了广泛关注[7,8,9]。中枢神经系统中多巴胺浓度的异常波动可能导致严重的病理状况，如阿尔茨海默病和帕金森病，以及神经精神障碍，包括精神分裂症、双相情感障碍、抑郁症和焦虑症[10,11,12,13,14]。近年来，神经发育和神经精神障碍影响了全球超过15亿人，其中许多情况与体内多巴胺水平失调有关[15,16,17]。为了评估多巴胺水平异常的严重影响，采用了多种传统的分析检测技术，包括电化学传感方法、液相色谱法、毛细管电泳、比色法、荧光检测和化学发光[18,19,20,21,22,23,24]。在这些方法中，电化学传感具有稳定性高、灵敏度高、可靠性好、远程监测能力和检测成本低等优点，因此成为多巴胺检测的首选方法[25,26,27,28]。然而，选择合适的电极材料对于构建有效的多巴胺检测电化学传感器至关重要[29]。已经开发出多种电极材料，专门设计用于提供高电活性表面积和优异的催化活性[30,31,32,33]。例如，Chen等人开发了一种用钒酸钇限定的三维石墨烯气凝胶，用于高效电化学检测多巴胺[34]。同样，Sriram等人提出了一种基于磷酸锶-六方氮化硼复合材料的电极，用于多巴胺的电化学传感[35]。尽管如此，构建具有高灵敏度和选择性的电极材料以检测痕量多巴胺仍然是一个挑战。

钙钛矿因其结构和组成的灵活性而吸引了众多科学家的兴趣。一般来说，钙钛矿可以用ABX3公式表示，其中A和B是阳离子，X是八面体配位的阴离子[36,37,38]。研究人员最近开发了多种过渡金属氧化物钙钛矿，这些钙钛矿在电化学传感器中得到了广泛应用。其中，ABO3型钙钛矿作为一种优异的电极材料被广泛研究，它具有独特的电活性结构、优异的电子导电性、高设计灵活性和比其他活性电极材料更高的催化效率[39,40,41,42]。由于多组分钙钛矿具有多种化学和物理性质，全球科学家对其产生了浓厚的兴趣[43]。将过渡金属掺入钙钛矿的B位点会影响其电催化活性[44,45]。受此启发，研究人员使用Zr作为B位点的过渡金属开发了几种钙钛矿，因为它们具有合理的化学和物理性质。此外，功能性纳米材料的合成通常涉及对环境构成重大威胁的化学路线。为了解决这一问题，深共晶溶剂（DESs）受到了各个领域科学家的广泛关注。这些创新溶剂由氢键受体和氢键供体组成，具有独特的性质，并在多种应用中显示出巨大潜力[46,47,48,49,50]。基于这些发现，我们的研究重点是通过溶热法使用DES作为绿色溶剂合成镁锆酸盐（MgZrO3），然后进行煅烧处理。合成的MgZrO3材料通过标准光谱和显微技术进行了表征。值得注意的是，使用MgZrO3修饰的电极研究了多巴胺的电化学行为，其电化学性能优于裸电极。这种性能的提升可归因于材料较大的比表面积、高导电性和有利的表面位点。采用差分脉冲伏安法（DPV）评估了所提出的电极材料对多巴胺传感的电化学活性。结果证明了MgZrO3出色的电催化活性，包括宽的线性范围、低的检测限（LOD）、高选择性和增强的灵敏度。此外，还测试了实际样品以评估所开发传感器的实用性。

2. 结果与讨论
2.1. 材料表征
使用XRD技术分析了合成MgZrO3的晶体相纯度，如图1a所示。根据XRD图谱，观察到合成的MgZrO3中同时存在MgO（氧化镁）和ZrO2（氧化锆）单相。明显的衍射峰（2θ）位于30.25°、35.13°、42.82°、50.55°、60.21°、63.13°和74.49°，分别对应于立方氧化镁和四方氧化锆相。立方氧化镁和四方氧化锆的晶体学平面分别根据JCPDS卡片编号65–0476和79–1769进行索引。XRD图中没有其他峰的出现表明合成MgZrO3的纯度很高。FT-IR光谱用于分析合成MgZrO3的化学键合结构，如图1b所示。合成MgZrO3的FT-IR光谱在410–815 cm?1范围内显示出一个宽峰，证实了金属-氧键的振动，特别是Mg–O和Zr–O键的振动。在1425 cm?1处观察到的振动带对应于羧基的对称和不对称伸缩振动，表明CO2吸附在MgZrO3表面。3400 cm?1处的特征振动频率与Mg–OH和Zr–OH中的–OH官能团的伸缩振动相关。

2.2. 电化学测量
2.2.1. 电极的电化学性质
采用电化学阻抗谱（EIS）技术表征了0.1 M KCl溶液、5 mM [Fe(CN)6]3?/4?中电极的界面性质。如图3a所示，Nyquist图提供了关于电极电荷转移能力的信息，半圆直径代表电荷转移电阻。此外，使用Randles等效电路拟合了从EIS光谱获得的所有数据（图3a中的插图）。Randles等效电路包括电容（Cdl）、电荷转移电阻（Rct）、溶液电阻（Rs）和Warburg阻抗（ZW）等组件。在MgZrO3/GCE上观察到的Rct值显著较低（65 Ω），而裸GCE的Rct值为137 Ω。这表明MgZrO3修饰电极的Rct值较低。EIS测量结果表明MgZrO3/GCE的催化活性增强，这可以归因于MgZrO3的修饰。图3. (a) 含有5 mM [Fe(CN)6]3?/4?的0.1 M KCl溶液中电极的EIS分析。(b) 在50 mV/s扫描速率下，有无240 μM多巴胺时电极的CV曲线。(c) 不同浓度多巴胺下MgZrO3/GCE的CV曲线。(d) 多巴胺浓度的峰电流与浓度的线性图。异质电子转移速率常数（ket）使用以下公式从EIS数据计算：ket = RT/F2RctAC，其中R是通用气体常数（8.314 J K?1 mol?1），T是绝对温度（K），F是法拉第常数（96,485 C mol?1），Rct是电荷转移电阻（Ω）；A是电极的表面积（cm2），C是[Fe(CN)6]3?/4?溶液的浓度（mol cm?3）。根据这一分析，裸GCE的ket值为9.2 × 10?6 cm s?1，而MgZrO3/GCE的ket值为1.95 × 10?5 cm s?1。这相当于MgZrO3修饰后电子转移动力学提高了约2.1倍，与观察到的Rct值降低一致。在pH 7的0.05 M PBS中，使用循环伏安法（CV）技术分析了裸GCE和MgZrO3修饰GCE在有无240 μM多巴胺条件下的电催化性能，扫描速率为50 mV/s（图3b）。进行对照实验以记录这些电极的背景电流，在扫描电位范围内未观察到氧化还原波。裸GCE表现出弱的准可逆氧化还原响应，表明其对多巴胺的电催化能力较差。阳极峰位于0.31 V，阴极峰位于0.09 V。这些电位表明多巴胺的电子转移缓慢，导致响应较弱。电化学行为表明多巴胺被直接氧化为多巴胺-o-醌，同时转移两个电子和两个质子。多巴胺检测的整体电化学机制如图1所示。相比之下，MgZrO3修饰GCE表现出增强的氧化还原峰电流，并且电位发生了偏移。阳极峰位于0.21 V，阴极峰位于0.13 V。这些结果表明MgZrO3/GCE对多巴胺的电催化活性得到了改善。MgZrO3修饰电极的良好性能可归因于其良好的导电性、较高的活表面积、众多的活性位点和快速的电子转移能力。图S1显示了不同电极的氧化峰电流条形图。MgZrO3/GCE的峰电流大于裸GCE，表明其在多巴胺电化学检测中的优越性能。

2.2.2. 浓度、pH值和扫描速率的影响
使用CV方法（扫描速率为50 mV/s）研究了MgZrO3/GCE的电催化活性，以确定其对不同浓度多巴胺的响应，如图3c所示。随着多巴胺浓度从40 μM增加到240 μM，相应的氧化还原峰电流显著增加。CV分析得到的图表显示多巴胺具有良好的线性回归方程（图3d）。这些结果进一步支持了MgZrO3/GCE有效促进多巴胺氧化还原反应的发现。由于多巴胺分子中酚羟基的脱质子作用，支持电解质的pH值显著影响电化学传感器的性能。为了研究240 μM多巴胺在MgZrO3/GCE上的电化学行为，在pH 3至9的范围内进行了CV测量，如图4a所示。结果清楚地表明，随着电解质的pH值从3逐渐增加到7，多巴胺的峰电位向更负的值移动，而多巴胺的峰电流逐渐增加。然而，当pH值进一步增加到9时，多巴胺的峰电流开始减少。如图4b所示，氧化电流随pH值变化。图4c显示了形式峰电位（E°）随pH值的变化。观察到一个线性依赖关系，斜率为?63 mV pH?1，这与理论上的Nernstian值?59 mV pH?1非常接近。这一结果表明，多巴胺的电化学氧化涉及相等数量的电子和质子，支持了两电子和两质子的转移机制。基于这些结果，选择了0.05 M PBS（pH 7.0）作为使用MgZrO3/GCE检测多巴胺的最佳支持电解质。图4：(a) 在含有240 μM多巴胺的0.05 M PBS不同pH值下MgZrO3/GCE的CV曲线。(b) pH值对氧化峰电流的影响。(c) MgZrO3/GCE上多巴胺的形式峰电位（E°）与pH值之间的线性关系（E° = f(pH)）。(d) MgZrO3/GCE在不同扫描速率下的CV曲线。(e) 多巴胺的峰电流与扫描速率的线性图。为了研究电化学过程的动力学，在含有240 μM多巴胺的条件下，对MgZrO3修饰的GCE进行了CV测量，扫描速率范围为10–200 mV/s。如图4d所示，氧化还原峰电流随扫描速率的增加而增加，同时峰电位也有明显的变化，峰对峰分离也增加了，表明了准可逆的电化学行为。此外，在研究的范围内，氧化和还原峰电流都与扫描速率呈现线性关系（图4e），表明MgZrO3/GCE上的电化学反应受表面吸附控制。相比之下，峰电流与扫描速率的平方根之间没有观察到线性关系（图S2a），进一步支持了这一结论。为了证实吸附控制机制，构建了峰电流的对数（log Ip）与扫描速率的对数（log ν）的图（图S2b）。获得的斜率约为1.1，接近吸附控制过程的理论值1，从而确认了MgZrO3/GCE上多巴胺的电化学动力学是表面限制的。

2.2.3 多巴胺的电化学检测
在最佳实验条件下，使用DPV方法研究了MgZrO3修饰GCE上多巴胺的定量电化学检测，如图5a所示。随着多巴胺浓度在0.3至1147.7 μM范围内增加，峰电流也相应增加。如图5b所示，在0.3至80 μM范围内，峰电流与多巴胺浓度之间获得了良好的线性关系，决定系数为0.998。使用以下公式计算了LOD（检测限）和LOQ（定量限）：LOD = 3 × (Noise)/S 和 LOQ = 10 × (Noise)/S，其中S是校准曲线的斜率。MgZrO3/GCE对多巴胺的LOD和LOQ分别确定为127 nM和423 nM。为了更好地评估所开发传感器的性能，与最近报道的电化学多巴胺传感器进行了全面比较（表1）。如总结所述，先前报道的系统包括α-Fe2O3、GQDs/IL、Au@Cu-MOF、PANI-MgO、PLA/PEDOT/PANI、CuO/Cu2O、NFG、WSe2、CGC-500、NiMoO4/Mn(VO3)2和POA@Ag NPs，表现出不同的分析特性，线性检测范围从低微摩尔到毫摩尔级别不等，LOD值通常在0.06至5.0 μM之间。相比之下，MgZrO3/GCE的LOD为127 nM，且在接近生理条件（PBS，pH约7.0）下保持了宽广且实际相关的线性范围。这些结果表明，所提出的传感器相对于许多现有的多巴胺检测平台提供了竞争性或更优越的分析性能。MgZrO3的增强传感行为可以归因于其固有的物理化学性质。具体来说，MgZrO3具有较大的表面积和丰富的活性位点，有助于多巴胺分子的有效吸附和氧化。此外，其有利的电子结构促进了快速的电子转移动力学，从而提高了灵敏度和信号放大。稳定的氧化物框架也有助于电化学测量过程中的良好重现性和操作稳定性。总体而言，MgZrO3/GCE展示了优异的电化学活性、高灵敏度和可靠的定量能力，使其成为实际传感应用的有希望的候选者。

2.2.4 选择性、重复性、再现性和稳定性
选择性是评估修饰电极在实际样品应用中性能的关键参数。为了评估MgZrO3/GCE对多巴胺检测的选择性，在存在各种潜在干扰物质和金属离子（包括4-硝基苯酚（4-NP）、尿酸（UA）、抗坏血酸（AA）、硝酸钠（NaNO3）和罗尼达唑（RDZ）的情况下进行了多巴胺的电化学氧化。如图4c所示，这些干扰物质的存在对多巴胺检测的影响可以忽略不计。结果表明，在单个干扰化合物存在的情况下，峰电流的变化不超过5%（图4d）。因此，MgZrO3/GCE表现出良好的抗干扰能力，证明了其高选择性。为了研究MgZrO3/GCE的重复性（日内精度），在优化条件下使用相同的修饰电极进行了五次连续测量（图S3a）。相应的氧化峰电流变化很小，相对标准偏差（RSD）为1.62%，表明MgZrO3/GCE具有可接受的重复性。使用五个独立制备的MgZrO3修饰电极评估了工作电极表面修饰的再现性（图S3b）。响应高度一致，RSD为1.57%，证实了电极制造过程的可靠性和一致性。此外，通过连续100次循环的CV测量评估了MgZrO3/GCE的操作稳定性（图S3c）。结果显示峰电流仅略有下降（约8%），峰电位没有显著变化，表明电极在重复使用下保持稳定的电化学性能。

2.2.5 实用可行性
为了评估MgZrO3/GCE的实际应用性，使用DPV方法在生物样品中测定了多巴胺（图S4a,b）。选择了含有多种代谢物的人血清和尿液作为代表性基质，这些代谢物反映了生理条件。分析前，样品经过离心、过滤并用PBS稀释，无需任何额外的预处理。将已知浓度的多巴胺加入到制备的样品中，并进行了回收研究。如表S1所总结的，使用MgZrO3/GCE获得的回收率在96.00%到99.00%之间，表明了良好的分析准确性。作为对比，使用标准HPLC方法分析相同的样品，得到的回收率也在97–99.5%的范围内。电化学传感器和HPLC结果之间的密切一致性证实了所提出方法的可靠性和准确性。此外，MgZrO3/GCE具有操作简单、响应快速和成本较低的实用优势。这些结果表明，所提出的传感器非常适合在复杂的生物基质中检测多巴胺，并具有强大的实际应用潜力。

3. 实验部分
化学试剂和材料表征列在ESI文件中。

3.1 DES的合成
DES溶液是通过在含有磁珠的玻璃烧杯中以1:1的比例混合百里酚和甲醇制备的。混合物在室温下使用磁力搅拌器连续搅拌，直到获得透明的均匀溶液。然后使用该均匀溶液来合成MgZrO3。

3.2 MgZrO3的合成
MgZrO3纳米海绵是通过溶剂热法制备然后煅烧得到的。在典型的程序中，将0.05 M MgCl2 · 6H2O和ZrOCl2 · 8H2O溶解在50 mL的预先制备的DES中，并在连续搅拌下获得均匀溶液。随后，逐滴加入KOH溶液，并继续搅拌直到形成沉淀。将得到的悬浮液转移到内衬特氟龙的不锈钢高压釜中，在180 °C下保持12小时。自然冷却至室温后，收集产物并通过离心多次洗涤以去除残留离子和杂质。收集的沉淀物在60 °C的热风烘箱中干燥12小时。最后，将干燥后的白色粉末在空气中于600 °C下煅烧3小时，得到MgZrO3纳米海绵。整个合成过程如图2所示。

3.3 MgZrO3修饰电极的制备
GCE使用氧化铝浆料仔细抛光，并用去离子水彻底冲洗。接下来，将6 mg的MgZrO3分散在1 mL的去离子水中，并进行1小时的超声处理以确保适当的分散。随后，将6 μL的分散MgZrO3溶液沉积在GCE表面，并让其风干。

4. 结论
在这项工作中，通过DES辅助的溶剂热方法成功开发了一种基于MgZrO3的电化学传感器，展示了一种简单有效的电极修饰方法。电化学性能的提高归因于界面电子转移动力学的增强和活性位点的增加。这得到了EIS结果的支持，其中裸GCE的Rct从137 Ω降低到MgZrO3/GCE的65 Ω，同时ket从9.2 × 10?6增加到1.95 × 10?5 cm s?1。在优化条件下，MgZrO3/GCE显示出0.3–80 μM的宽线性检测范围，LOD（127 nM）和LOQ（423 nM）较低。该传感器在常见干扰物种存在的情况下对多巴胺表现出良好的选择性，并在真实样品分析中实现了令人满意的回收率，证实了其实际应用性。这些结果证明了MgZrO3/GCE的可靠性能，包括良好的重复性（RSD = 1.62%）、再现性（RSD = 1.57%）和操作稳定性（100次循环后仅下降约8%）。未来的研究可以关注长期稳定性的评估以及在更复杂的生物基质中的验证，以进一步扩展其实际应用性。未来的工作可能侧重于提高结构稳定性、扩大制造工艺的规模以及探索集成到便携式传感平台中。总体而言，这项研究突显了DES辅助的MgZrO3材料在电化学传感方面的潜力，并为设计和开发高效可靠的基于金属氧化物的传感器提供了有价值的见解，适用于临床和分析应用中的神经递质检测。

补充材料
以下支持信息可以在以下链接下载：https://www.mdpi.com/article/10.3390/catal16050389/s1，包括化学品和试剂的详细信息；材料表征；电化学测量程序；不同电极的氧化峰电流条形图（图S1）；(a) 峰电流（Ip）与扫描速率的平方根（ν1?2）的关系图。(b) log Ip与log ν的关系图（图S2)；(a) MgZrO3/GCE的重复性，(b) 再现性，以及(c) 稳定性（图S3)；(a) 人血清和(b) 人尿液的MgZrO3/GCE的DPV曲线（图S4）以及MgZrO3/GCE传感器与HPLC方法检测多巴胺的比较（n = 3）（表S1）。