碳包覆 CoNiFeCuCr 高熵合金纳米粒子用于多巴胺和尿酸的稳健电化学同时检测

《Talanta》：Carbon-coated CoNiFeCuCr high-entropy alloy nanoparticles for robust electrochemical simultaneous detection of dopamine and uric acid

　　

摘要

在复杂生物介质中同时电化学检测多巴胺（DA）和尿酸（UA）仍然面临挑战，原因在于氧化响应信号重叠、共存物种的干扰以及电极耐久性差。本文提出了一种碳包覆高熵合金 CoNiFeCuCr/C（HEA/C），通过一步金属-有机化学气相沉积（MOCVD）工艺制备，作为选择性检测 DA 和 UA 的电化学平台。HEA/C 电极表现出分辨率良好的氧化信号、快速响应、高灵敏度、强抗干扰性能和长期稳定性。传感器对 DA 的检测限为 0.50 μM，对 UA 的检测限为 1.97 μM，重复性 RSD 分别为 2.22% 和 0.57%。在 65 天内保持稳定的分析性能，DA 和 UA 的稳定性 RSD 分别为 0.90% 和 0.59%，并能够可靠地测定人尿中两种分析物，表明其适用于复杂生物样品。总体而言，这些结果表明 HEA/C 是一种有前景的电化学生物分子检测材料，为开发先进的生物传感平台提供了有益的策略。

引言

多巴胺（DA）是一种重要的儿茶酚胺类神经递质，它控制运动活动、动机、认知和激素信号，以促进中枢神经系统的正常功能 [1,2]。在医学上，DA 浓度异常与多种神经和精神疾病高度相关，包括帕金森病、精神分裂症、亨廷顿病和垂体疾病 [3,4]。尿酸（UA）是另一种关键的生化标志物，也是人体嘌呤降解的最终产物；其浓度反映了体内的代谢速率和氧化还原平衡 [5,6]。尽管 UA 在体液中作为强效抗氧化剂发挥作用，但其浓度的长期偏离与痛风、肾脏和心脏疾病以及氧化应激疾病等疾病相关 [[7], [8], [9]]。因此，测量体内 DA 和 UA 水平至关重要。在过去的几十年中，包括高效液相色谱 [10]、毛细管电泳 [11]、化学发光 [12]、分光光度技术 [13] 和比色法 [14] 在内的多种分析平台已被建立起来，用于 DA 和 UA 的定量评估。在这些技术中，电化学生物传感器装置因操作简便、经济高效、响应速度快、便携性强以及对电活性生物分析物灵敏度出色，在临床检测和即时检测应用中受到特别重视 [[15], [16], [17]]。然而，传感器性能主要取决于电极材料的特性，特别是其催化效率、导电性和抗表面污染能力。许多材料已被研究以提高传感器的灵敏度，包括金属纳米颗粒 [18]、聚合物基材料 [19]、离子液体 [20] 和碳纳米结构 [[21], [22], [23]]。特别是，碳基复合材料在该领域展现了可观的应用前景 [[24], [25], [26], [27]]。例如，Li 等人提出了一种由铜和铈组成的纳米复合材料，在 DA 和 UA 测定中实现了最大 124 mV 的分离 [28]。Hu 等人通过石墨烯纳米带的方法成功将其提高到 136 mV [29]。然而，这些进展不能被视为已完全解决了该问题，因为许多现有物质仍存在重大缺陷，如检测范围有限和抗干扰能力不足。

克服部分缺陷的方法包括使用基于过渡金属的电催化剂，因为过渡金属具有灵活的电子构型和固有的高催化活性 [30,31]。近期的研究表明，多元素过渡金属基催化剂可以显著提高生物液体中 DA 和 UA 的同时检测能力。Chen 等人提出了一种具有增强电催化性能的过渡金属化合物（CoFe）/碳纳米片 [32]。另一项研究表明，使用铜金属有机框架（Cu-MOF）修饰的电极在 DA 测定中表现出良好的选择性 [33]。基于导电聚合物和过渡金属氧化物的三元杂化电催化剂，如 Ppy-α-Fe₂O₃-MoS₂，也被用于实现更高的分析性能。 [34]。此外，源自聚多巴胺的铁掺杂碳化合物 [35]、MoS₂ 基复合材料 [36,37] 和 CuO 纳米结构 [38] 也展现出令人满意的催化活性和分析灵敏度。尽管取得了这些进展，大多数报道的系统仍依赖单一或二元金属组成，这从本质上限制了活性位点的多样性，并制约了催化效率、选择性和长期稳定性的进一步提升。

高熵合金（HEAs）是由五种或更多主要合金组分在简单固溶体结构中稳定存在的多组元合金，近期因其优异的化学/力学稳定性、抗腐蚀/抗氧化性能以及电子结构的可调性而受到广泛研究 [[39], [40], [41], [42], [43], [44]]。除了结构优势外，HEAs 的组成灵活性和多功能性、优异的催化活性和选择性可以创造高密度的催化活性位点，并影响吸附/电荷转移过程，从而为工程化先进电催化界面提供了有前景的途径 [45,46]。由于其独特的物理和化学性质，HEAs 在催化、传感、表面工程、辐射屏蔽和能量存储/转换等许多领域受到了极大关注 [[47], [48], [49]]。此外，近期的发展强调了熵稳定多组元合金在电化学传感中的重要性。例如，Gokul 等人证明 HEA 在葡萄糖传感和析氧反应（OER）方面具有巨大潜力 [50]。Chandio 等人设计了一种适配体传感器用于检测炎症性肠病中的钙卫蛋白 [51]。Qingqing, Z. 等人合成了 Co₂CrMnFeNi 高熵合金纳米片用于尿酸检测 [52]。与传统的单一或两种金属基催化剂不同，具有高熵驱动稳定的多金属合金是有前景的进一步研究材料 [53]。然而，HEAs 尚未在生物分析传感中得到充分探索，特别是在复杂的多分析物环境中，需要辨别能力、抗污染性能和不同电极上的可重复性。包覆碳的使用通过增强电荷转移动力学、促进分析物扩散以及将活性材料屏蔽在极具侵蚀性的碱性介质之外，从而提高了传感效率。 [54]。因此，这些效应使得所制备的电极在生物液体和尿液中对多巴胺和尿酸的非侵入性测定展现了强大的能力，尽管其浓度相较于血液更低。

本研究提出了一种创新的碳包覆 CoNiFeCuCr 高熵合金纳米颗粒催化剂（HEA/C），采用一种简单的一步 MOCVD 工艺，利用地壳中丰富的过渡金属合成。该催化剂专门设计用于解决 DA 和 UA 多分析物生物分析检测中的同时信号区分、抗污染性能和一致性性能的难题。Co、Ni 和 Fe 被选为氧化还原活性的基础组分，因为它们的互补 d 电子结构可以为 DA 和 UA 氧化提供异质催化环境。引入 Cu 以促进界面电荷转移并调节局部电子结构，而掺入 Cr 以调节配位环境并提高合金的化学和结构耐久性 [[55], [56], [57]]。这些元素共同产生了广泛的界面电子态和吸附环境分布，从而促进了 DA 和 UA 的不同氧化路径。由于协同的多金属组成和导电碳壳，HEA/C 修饰电极展现出增强的 DA 和 UA 同时氧化的电催化活性，提供高选择性、强电流响应和优异的稳定性，即使存在常见干扰物质也是如此。这些发现表明，碳包覆的 HEA 纳米结构是稳健且选择性生物传感的有前景平台，突显了可扩展的 MOCVD 衍生核壳结构在未来诊断应用中的潜力，尤其是考虑到该方法具备大规模和可控合成的能力。

章节摘录

试剂

所有材料乙酰丙酮铁(III)、乙酰丙酮钴(II)、乙酰丙酮镍(II)、乙酰丙酮铜(II)和乙酰丙酮铬(III)、铁氰化钾 K₃[Fe (CN)₆]、亚铁氰化钾 K₄[Fe (CN)₆]、氯化钾（KCl）和过氧化氢（H₂O₂）均购自 Sigma-Aldrich。磷酸氢二钠（Na₂HPO₄）和磷酸二氢钠（NaH₂PO₄）用于配制磷酸盐缓冲生理盐水（PBS）溶液。所有试剂均直接使用

结构与形貌表征

采用透射电子显微镜（TEM）检查所制备的 HEA/C 纳米颗粒（NPs）的形貌和微观结构（图 2）。TEM 图像显示 HEA 纳米颗粒均匀分散，平均尺寸约为 9.85 nm，团聚极少，粒径分布相对较窄（图 S1）。HEA/C 纳米颗粒的高分辨透射电镜（HRTEM）图像（图 2B 和 C）显示清晰的核壳结构，薄碳壳包裹着 HEA 核。碳壳

结论

本研究通过一步金属-有机化学气相沉积策略制备了碳包覆 CoNiFeCuCr 高熵合金电化学传感平台，用于同时测定 DA 和 UA。HEA/C 修饰电极提供了分辨率良好的氧化信号、快速的电化学响应、良好的灵敏度、对干扰物种的强耐受性以及人尿样品中的可靠性能。传感器的检测限为 DA 0.50 μM 和

CRediT 作者贡献声明

Adil Khan：初稿撰写、方法学、调查研究、正式分析、数据整理、概念构思、审阅与编辑。Sibt ul Hassan：正式分析、数据整理。Muhammad Anwar：软件、正式分析。Atiq Ur Rehman：审阅与编辑。Ijaz Ahmad：可视化。Wu Di：审阅与编辑。Kashif Ali Kalhoro：审阅与编辑。Zhengchun Liu：审阅与编辑、监督、经费获取。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的、可能影响本文所述工作的竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本工作得到中国国家自然科学基金（编号：62371475）和湖南省自然科学基金（编号：2022JJ 30754）的资助。

Adil Khan|Sibt ul Hassan|Muhammad Anwar|Atiq Ur Rehman|Ijaz Ahmad|Wu Di|Kashif Ali Kalhoro|Zhengchun Liu

中南大学电子信息学院，长沙，410083，中国