Kobaltphosphid (Co2P) mit bemerkenswerter elektrokatalytischer Aktivität für die empfindliche und selektive enzymlose Bioanalyse von Wasserstoffperoxid

Einführung

Wasserstoffperoxid (H₂ .) O₂ ) ist eine repräsentative reaktive Sauerstoffspezies in lebenden Organismen und spielt eine entscheidende Rolle für die normale physiologische Funktion [1]. Die Konzentration von H₂ O₂ in lebenden Zellen hängt eng mit dem zellphysiologischen Gleichgewicht zusammen [2]. Zahlreiche Studien haben auch berichtet, dass Krebs, Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit und einige schwere Krankheiten durch eine abnormale Konzentration von H₂ . verursacht werden können O₂ [3,4,5]. Entwicklung genauer, empfindlicher, schneller und selektiver Methoden zum Nachweis der H₂ .-Konzentration O₂ , ein normaler Biomarker für oxidativen Stress, wird zweifellos für die Früherkennung von Vorteil sein. Bisher wurden zahlreiche analytische Methoden wie Spektroskopie [6], Kolorimetrie [7], Fluoreszenz [8, 9] und elektrochemische Methoden [10,11,12] in H₂ . angewendet O₂ Festlegung. Elektrochemische Methode, insbesondere amperometrischer Test, entwickelt sich allmählich zu einer der einfachsten und effektivsten Nachweismethoden für H₂ O₂ biologische Analyse aufgrund seiner Vorteile wie hohe Sensitivität, hervorragende Selektivität und niedrige Kosten unter verschiedenen Sensormethoden.

Enzymatische elektrochemische Sensoren haben sich als wirksame Instrumente zum Nachweis von H₂ . erwiesen O₂ . Die praktische Anwendung enzymbasierter Sensoren im großen Maßstab wird jedoch durch komplizierte Immobilisierung, Umweltinstabilität und geringe Reproduzierbarkeit eingeschränkt. Daher die Entwicklung nicht-enzymatischer elektrochemischer H₂ O₂ Sensoren ist sehr unentbehrlich.

In den letzten Jahren wurden immer mehr Sensoren auf Basis von Edelmetallen [13,14,15], Nichtedelmetallen und ihren entsprechenden Verbindungen [16,17,18,19] oder Kohlenstoffmaterialien [20, 21] verwendet für elektrochemisches H₂ O₂ Erkennung. Als elektrochemische aktive Materialien zur Herstellung nicht-enzymatischer Biosensoren haben Übergangsmetallverbindungen zunehmendes Interesse gefunden. Übergangsmetallphosphide (TMPs) sind eine Klasse neu entwickelter Materialien mit hervorragender elektrokatalytischer Aktivität, guter elektrischer Leitfähigkeit und vielen herausragenden Eigenschaften. Daher wurden sie eingehend für Anwendungen bei der Wasserspaltung [22, 23], der Hydroentschwefelung [24] und Superkondensatorelektroden [25] untersucht. Jüngste Untersuchungen zeigen, dass CoP, Ni₂ P und Cu₃ P [26,27,28] kann auch als effizienter Elektrokatalysator für nicht-enzymatisches H₂ . verwendet werden O₂ Erkennung. Allerdings ist die Zahl der Forschungen zur Anwendung von TMPs in der Bioanalytik heute noch begrenzt. Außerdem kann die Verwendung von Triphenylphosphin [29, 30], weißem Phosphor [31, 32] oder anderen umweltschädlichen Phosphorquellen [33] das Betriebsrisiko bei der Herstellung von TMPs erhöhen. Daher lohnt es sich, einige Forschungsarbeiten zur Entwicklung einer grünen Methode bei der TMP-Herstellung in diesem Bereich zu ergänzen.

In dieser Arbeit werden Kobaltphosphid-Nanopartikel (Co₂ P NPs) wurden durch ein einstufiges hydrothermales Verfahren unter Verwendung von Kobaltacetat und rotem Phosphor als Rohstoffe hergestellt. Hier haben wir Co₂ . hergestellt P-NPs auf Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Substrat im Tropfengussverfahren für H₂ O₂ Erkennung. Co₂ P zeigte eine ausgezeichnete elektrokatalytische Aktivität gegenüber H₂ O₂ die Ermäßigung. Darüber hinaus zeigte es eine günstige Selektivität, ausgezeichnete Reproduzierbarkeit und gute Stabilität, was daher seine potenzielle Anwendung als empfindliche Plattform für H₂ . zeigte O₂ Erkennung.

Experimenteller Abschnitt

Reagenzien und Materialien

Alle Reagenzien waren analytisch rein und wurden ohne weitere Reinigung verwendet. Kobalt(II)acetat-Tetrahydrat (Co(Ac)₂ ·4H₂ O), Kobaltchlorid-Hexahydrat (CoCl₂ .) ·6H₂ O), D-(+)-Glukose, L-Glycin (L-Gly), Ascorbinsäure (AA), Harnsäure (UA), Harnstoff, NaCl, KCl, NaH₂ PO₄ , Na₂ HPO₄ , Wasserstoffperoxid (30 % H₂ .) O₂ ), Ethanol und Aceton wurden von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. China bezogen. D-(–)-Fructose, L-Arginin (L-Arg), L-Lysin (L-Lys), Dopamin (DA), Paracetamol (APAP), Aminotrimethylenphosphonsäure (ATMP, 50 Gew.-%) wurden bezogen von Aladdin Ltd. Kommerzieller roter Phosphor (98,5%, 100 mesh) wurde von Energy Chemical Technology (Shanghai) Co., Ltd. bezogen. Nafion PFSA Polymerdispersion (5%) wurde von Beijing Honghaitian Technology Co., Ltd. bezogen. Es wurde entionisiertes Wasser verwendet bei allen Versuchen. Das Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Glas (10  × 20  ×  1,1 mm mit einem ITO-Film von 185 ± 2 nm und einem Schichtwiderstand von 6,6 ± 0,1 ) wurde von Shenzhen South Xiangcheng Technology Co., Ltd. geliefert.

Synthese von Co₂ P-Nanopartikel

Kommerzieller roter Phosphor (2 g) wurde in 15 ml H₂ . dispergiert O unter Beschallung und hydrothermaler Behandlung bei 200 °C für 12 h in einem 50 ml Teflon-ausgekleideten rostfreien Autoklaven, um Oxidschichten zu entfernen [34]. Dann wurde der hydrothermal behandelte rote Phosphor in einem Vakuumofen getrocknet. Nach Abschluss der Vorbehandlung mit rotem Phosphor 1 mmol Co(Ac)₂ ·4H₂ O wurde in 30 ml destilliertem Wasser gelöst, um eine wässrige Lösung zu erhalten. Dann wurde der hydrothermal behandelte rote Phosphor der Lösung unter Ultraschall für 15 Minuten mit einem Molverhältnis von Co/P 1/10 zugesetzt. Die hergestellte Suspension wurde schnell in einen mit Teflon ausgekleideten 50 ml-Autoklaven gegossen. Dann wurde der Autoklav in einen elektronischen Ofen gestellt und bei 160, 200 bzw. 240 °C für 12 h hydrothermal behandelt. Dann wurde das Produkt durch Zentrifugation gesammelt und dreimal mit destilliertem Wasser bzw. Ethanol gewaschen. Schließlich Co₂ P-NPs wurden 3 h lang bei 60 °C an der Luft getrocknet.

Synthese von Co(PO₃ )₂

Die Herstellungsmethode von Co(PO₃ )₂ wurde auf den vorherigen Bericht [35] verwiesen. 0,1 M CoCl₂ ·6H₂ Zunächst wurde eine Methanollösung hergestellt. Dann 2 ml ATMP (50 w t%) wurde tropfenweise in 20 ml der obigen violetten Lösung gegeben und 30 Minuten gerührt. Das unlösliche Kobalt-Metaphosphat-Koordinationspolymer bildete sich anschließend in der Lösung. Das erhaltene rosa Pulver wurde weiter auf 900 °C unter Ar-Strom mit einer Heizrate von 5 °C·min ^–1 . erhitzt und dann 2 h lang gehalten. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde das schwarze Produkt gesammelt und erneut 4 h auf 650 °C in Luft erhitzt, um den karbonisierten organischen Liganden zu entfernen. Schließlich das hellviolette Pulver von Co(PO₃ )₂ erhalten wurde.

Herstellung von Co₂ P/ITO-Elektrode

Zuerst wurde das ITO-Glas (1 cm  ×  2 cm) in Aceton, Ethanol und entionisiertem Wasser jeweils 10 min lang durch Beschallung gereinigt. Danach wurde das behandelte ITO unter Stickstoffspülung getrocknet. Für die Modifikation der Elektrode 5 mg Co₂ P-NPs wurden in 1 ml entionisiertem Wasser dispergiert, um 5 mg ml ⁻¹ . zu bilden Co₂ P-Aufhängung. Dann wurden 5 &mgr;l 5 % Nafion-Lösung in die Suspension gegeben und die Mischung wurde 15 min mit Ultraschall behandelt, um eine einheitliche tintenähnliche Suspension zu erhalten. Die Co₂ Die P/ITO-Elektrode wurde durch Tropfengießen von 100 μL Co₂ . hergestellt P-Suspension auf der ITO-Oberfläche und als Arbeitselektrode an der Luft getrocknet. Der schematische Herstellungsprozess von Co₂ Die P/ITO-Elektrode ist in Schema 1 gezeigt.

Schematische Herstellung von Co₂ P/ITO-Elektrode und H₂ O₂ Wahrnehmung

Charakterisierungen

Die Röntgenbeugungsdaten (XRD) wurden mit einem D8 ADVANCE-Diffraktometer mit Cu Kα-Strahlung analysiert. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Messung wurde unter Verwendung eines Tecnai G2 F20 mit einem Detektor für das energiegestreute Spektrum durchgeführt. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Spektren wurden auf einem Thermo ESCALAB 250XI Spektrometer gemessen.

Elektrochemische Messungen

Voltammetriemessungen wurden mit der elektrochemischen Workstation CHI 660E in einem Drei-Elektroden-System unter Verwendung von Co₂ . durchgeführt P/ITO-Elektrode als Arbeitselektrode, eine Platinfolie (1 cm × 1 cm) als Gegenelektrode und Ag/AgCl mit 3 M KCl-Lösung als Referenzelektrode zur Untersuchung der elektrochemischen Aktivitäten der synthetisierten Proben für H_{2 O2 Erkennung. Als Elektrolyt wurde phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS; 0,1 M, pH 7,4) verwendet, um das physiologische Medium im menschlichen Körper zu simulieren. Die Sensorleistung von Co2 P/ITO-Elektrode in Richtung H2 O2 Nachweis wurden durch Cyclovoltammetrie (CV) und Amperometrie (I-t) untersucht. Alle Nachweisexperimente wurden unter Rühren mit 100 U/min bei Raumtemperatur durchgeführt. An der elektrochemischen Workstation VersaSTAT 3F wurden elektrochemische Impedanztests durchgeführt und als Elektrolyt für die Impedanzmessung wurde eine Ferricyanidlösung verwendet.}

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung von Co₂ P NPs

Die Kristallstruktur von Co₂ P NPs wurde durch XRD-Messung bestätigt. Abbildung 1a zeigt die XRD-Muster von Co₂ P-Proben, vorbereitet bei 160, 200 und 240 °C für 12 h. Die Co₂ Bei 200 °C hergestellte P-Probe zeigt Beugungspeaks bei etwa 40,7°, 40,9°, 52,0° und 56,2°, die den charakteristischen Beugungsebenen bei (121), (201), (002) und (320) für die orthorhombische Phase entsprechen von Co₂ P (JCPDS-Nr. 32-0306). Wenn die Temperatur von 160 bis 200 °C variierte, nahmen die Intensitäten der Beugungspeaks zu und die Peaks wurden schmaler und schärfer, was darauf hindeutet, dass die Produkte bei 200 °C eine höhere Kristallinität aufwiesen. Als die Temperatur jedoch 240 °C erreichte, wurden einige Verunreinigungen gebildet und die Beugungspeaks bei 29,7° wurden der Beugungsebene bei (-222) von Co(PO₃ . zugeschrieben )₂ (JCPDS-Nr. 27-1120). Der Einfluss der Synthesezeit auf die Herstellung von Co₂ P unter 200 °C wird in Zusatzdatei 1 angezeigt:Abb. S1. Wenn die Zeitdauer innerhalb von 12 Stunden kontrolliert wurde, wurde das erhaltene Co₂ P-NPs zeigten den niedrigsten Wert der vollen Breite beim halben Maximum des (121)-Peaks, was auf eine bessere Kristallinität schließen lässt. Außerdem waren keine Verunreinigungen in der Probe vorhanden, wenn die Reaktionszeit von 6 bis 24 h variierte. Nach der Scherrer-Formel ist die berechnete Korngröße von Co₂ P NPs, die 12 h lang bei 200 °C hergestellt wurden, betrugen 14,2 nm.

a XRD-Muster von Co₂ P-NPs, die 12 h lang bei verschiedenen Temperaturen zubereitet wurden. b Transmissionselektronenmikroskopisches Bild und hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskopisches Bild (Einschub) von Co₂ P NPs. XPS-Spektren von Co₂ P im c Co 2p Region und d P 2p Region

Die Morphologie von Co₂ P NPs wurde durch TEM-Messungen bewertet. Wie in Abb. 1b gezeigt, besteht das bei 200 °C hergestellte Produkt aus unregelmäßigen Nanopartikeln mit einem Durchmesser von etwa 10–20 nm und im hochauflösenden TEM-Bild (HRTEM) sind deutlich zwei Gittersäume zu erkennen (Einschub in Abb. 1b). Der Abstand zwischen den benachbarten Ebenen beträgt 0,22 nm, entsprechend den (121)-Facetten von Co₂ P, was weiter bestätigt, dass die Bildung von TMP Co₂ . ist P.

Die XPS-Technik wurde bei der Analyse der chemischen Zusammensetzungen auf der Oberfläche des Co₂ . verwendet P. Zusätzliche Datei 1:Abb. S2 zeigt das XPS-Spektrum von Co₂ P. Co-, P- und O-Elemente werden in der Probe nachgewiesen, was die Existenz von Co₂ . bestätigt P und einige oxidierte Produkte. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) Spektren von Co₂ P (Zusatzdatei 1:Abb. S3) bestätigt weiterhin die Koexistenz von drei Elementen (Co, P, O) in der Probe. Die hochauflösenden XPS-Spektren von Co 2p und P 2p sind in Abb. 1c bzw. d gezeigt. Im Co 2p-Spektrum können die Peaks bei 781.1 und 797.6 eV den Bindungsenergien (BEs) von Co ²⁺ . zugeschrieben werden 2p _3/2 und Co ²⁺ 2p _1/2 , bzw. [26, 36]. Die Peaks bei 786,0 und 803,1 eV sind zwei scheinbare Shake-up-Satellitenpeaks. Der Co 2p BE von 778,2 eV verschiebt sich positiv gegenüber dem von metallischem Co (777,9 eV), was darauf hindeutet, dass Co in Co₂ P hat eine positive Teilladung (δ ⁺ ) mit einem kleinen Wert (0 < δ < 2) [37]. Im Gegenteil, die P 2p BE von 129,4 eV verschiebt sich negativ von dem des elementaren P (130,2 eV), sodass das P eine negative Teilladung hat (δ ⁻ ) in Co₂ P. Die Änderungen von BE im Co- und P-Element im Vergleich zu ihrer elementaren Substanz zeigen, dass die Übertragungsrichtung der Elektronendichte in Co₂ P ist von Co bis P [38]. Oberflächenoxidation von Co₂ P erzeugt einige wenige oxidierte P-Spezies in der Probe. Daher werden die Peaks bei 133,2 eV im hohen BE-Bereich den Oxiden zugeordnet [39].

Elektrochemischer Nachweis von H₂ O₂ bei Co₂ P/ITO-Elektrode

Um die elektrokatalytische Aktivität von Co₂ . zu untersuchen P NPs in H₂ O₂ Reduktion haben wir ein nicht-enzymatisches H₂ . entwickelt O₂ Elektrode durch Tropfengießen von Co₂ P NPs-Suspension auf einer blanken ITO-Oberfläche. Abbildung 2a zeigt die CV-Kurven von blankem ITO und Co₂ P/ITO in 0,1 M PBS bei pH 7,4 mit und ohne 5,0 mM H₂ O₂ , bzw. Die gestrichelten Linien zeigen an, dass die Reaktion von blankem ITO auf H₂ O₂ Reduzierung ist vernachlässigbar. Die Co₂ P/ITO-Elektrode zeigt einen bemerkenswerten Reduktionspeak bei − 0,5 V in Gegenwart von H₂ O₂ , das die herausragende elektrokatalytische Aktivität von Co₂ . demonstriert P NPs in Richtung H₂ O₂ die Ermäßigung. Abbildung 2b zeigt die CV-Kurven von Co₂ P/ITO bei unterschiedlichen Abtastraten (von 30 bis 100 mV s ⁻¹ ) mit 2,5 mM H₂ O₂ . Wenn die Abtastrate erhöht wird, steigt der Reduktionsspitzenstrom und das Spitzenpotenzial verschiebt sich auf die negativere Potenzialseite, was die Reduzierung von H₂ . anzeigt O₂ auf Co₂ P/ITO war eine irreversible Reaktion. Die entsprechende Kalibrierungskurve (Einschub, Abb. 2b) zeigt, dass die Reduktionsspitzenstromdichten linear proportional zur Abtastrate ansteigen, was darauf hindeutet, dass die elektrochemische Reduktion von H₂ O₂ auf der Oberfläche von Co₂ Die P/ITO-Elektrode ist ein oberflächenkontrolliertes Verfahren [40].

a CV-Kurven von blankem ITO und Co₂ P/ITO-Elektrode in 0,1 M PBS mit und ohne 5,0 mM H₂ O₂ bei einer Abtastrate von 100 mV s ⁻¹ . b CV-Kurven von Co₂ P/ITO-Elektrode in 2,5 mM H₂ O₂ bei Abtastraten von 30 bis 100 mV s ⁻¹ . Einschub:Das entsprechende Diagramm des Stroms gegenüber der Abtastrate. c Amperometrische Reaktionen von Co₂ P/ITO-Elektrode mit sukzessiver Zugabe von H₂ O₂ in 0,1 M PBS. d Die Kalibrierkurve des stationären Stroms gegen die Konzentration von H₂ O₂

Abbildung 2c, d zeigen die amperometrische Reaktion und die Kalibrierungskurve von Co₂ P/ITO-Elektrode bei sukzessiver Zugabe von H₂ O₂ in 0,1 M PBS bei – 0,5 V unter Rühren. Die Co₂ Die P/ITO-Elektrode reagierte schnell auf die Zugabe von H₂ O₂ und erreichte den stationären Strom innerhalb von 5 s. Die Kalibrierungskurve in Abb. 2d zeigt, dass der Wandler einen multilinearen Bereich von H₂ . anzeigt O₂ Konzentration von 0,001 bis 1,0 mM, 1,0–5,0 mM und 5,0–10,0 mM. Die Empfindlichkeit des Sensors ändert sich mit steigender Konzentration von H₂ O₂ , aufgrund der Änderung der elektrokatalytischen Reduktionskinetik von H₂ O₂ auf der Elektrodenoberfläche. Laut früheren Berichten ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt von H₂ O₂ Reduktion wird von H₂ . dominiert O₂ Adsorption bei niedriger Konzentration, während die Aktivierung von H₂ O₂ ist die wichtigste Determinante bei hoher Konzentration. Im mittleren Bereich ist die Reduktionskinetik von H₂ O₂ wird durch Adsorption und Aktivierung gleichzeitig kontrolliert [10]. Eine Vielzahl von Analytikern wird auf der Oberfläche von Co₂ . adsorbieren P und bedecken die aktiven Zentren in der hohen Konzentration, was zu einer Verringerung der Empfindlichkeit führt [41].

Der Vergleich zu H₂ O₂ Erfassungsleistung des präparierten Co₂ P-Probe bei verschiedenen Reaktionstemperaturen und -zeiten ist in Zusatzdatei 1 gezeigt:Abb. S4, S5 und Tabelle S1, was darauf hinweist, dass der Co₂ P-Probe, die 12 h lang bei 200 °C zubereitet wurde, zeigt das beste H₂ O₂ Sensing-Leistungen. Als die Reaktionstemperatur auf 240 °C angehoben wurde, wurde das gebildete Co(PO₃ )₂ in Co₂ P könnte als Verunreinigung angesehen werden. Zur weiteren Klärung des Einflusses von Co(PO₃ )₂ auf H₂ O₂ Detektion, die elektrochemischen Eigenschaften von Co(PO₃ )₂ wurden untersucht. Wie in Zusatzdatei 1 gezeigt:Abb. S6, Co(PO₃ )₂ zeigt eine vernachlässigbare elektrochemische Reaktion auf H₂ O₂ und seine Leitfähigkeit ist Co₂ . unterlegen P, das das Stromsignal von Co₂ . verringert P/ITO im amperometrischen Test. Daher ist die höhere Reinheit und bessere Kristallinität von Co₂ P Probe kann zur Verbesserung der Erfassungsleistung beitragen. Daher wählen wir das Co₂ P-Probe, hergestellt bei 200 °C und 12 h als bestes H₂ O₂ sensorisches Material. Die Kalibrierung I –t Kurve zeigt auch eine gute lineare Beziehung in der Konzentration von 1,0–50 μM, dem physiologischen Bereich von H₂ O₂ Konzentration im Biosystem (Abb. S7) [28], was hilfreich sein könnte, um die Möglichkeit der praktischen Anwendung dieses Sensors zu verbessern. Darüber hinaus ist die Nachweisgrenze (LOD) des H₂ O₂ Sensor kann mit 0,65 μM bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 3 berechnet werden. Verglichen mit dem zuvor berichteten H₂ O₂ Sensor, die umfassenden elektrochemischen Leistungen unseres Co₂ P/ITO-Wandler sind denen mit günstiger Empfindlichkeit, linearem Bereich und LOD überlegen, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Nach Erkennung von 1,0 mM H₂ O₂ 35 Mal wiederholt (Abb. 3a, b), die XPS-Spektren in Co 2p und P 2p Region von Co₂ P werden analysiert, um den Erfassungsmechanismus weiter zu untersuchen. Es gibt keine signifikante Änderung der Position der Peaks in P 2p Region vor und nach H₂ O₂ Erkennung. Die Peaks bei 778,2 und 793,0 eV in Co 2p Spektrum verschwand nach mehreren Messungen. Da der Peak bei 778,2 eV die Existenz von reduzierten Co-Spezies in Co₂ . anzeigt P-Probe [37] zeigt das Verschwinden dieser beiden Peaks, dass die reduzierten Co-Spezies mit niedriger Wertigkeit in Co₂ P kann durch H₂ . oxidiert werden O₂ während des Detektionsprozesses, insbesondere bei hoher H₂ .-Konzentration O₂ . Die verbleibenden Peaks in Co 2p Region (782,1 und 798.3 eV) werden Co ²⁺ . zugeschrieben 2p _3/2 und Co ²⁺ 2p _1/2 , was auf die ausschließliche Existenz von Co(II)-Spezies in Co₂ . hinweist P nach mehreren Messungen. Nach früheren Berichten über die Verwendung von Elektrokatalysatoren auf Kobaltbasis in H₂ O₂ Erkennung, Co ²⁺ Spezies werden als katalytisch aktive Zentren für H₂ . nachgewiesen O₂ Reduktion [46,47,48]. Im Allgemeinen ist die elektrochemische Reduktion von H₂ O₂ durchläuft zwei Schritte in PBS [49, 50], wie unten gezeigt.

Der Vergleich von XPS-Spektren in a Co 2p Region und b P 2p Region von Co₂ P vor und nach der Erkennung

Im ersten Schritt H₂ O₂ erhält ein Elektron, um adsorbiertes OH ⁻ . zu bilden (OH_Anzeige ). Wenn das Zwischenprodukt OH_ad erhält ein zusätzliches Elektron, das endgültige Reduktionsprodukt von H₂ O₂ , H₂ O, erzeugt wird. Als Redoxpotential von H₂ O₂ /H₂ O ist höher als Co ³⁺ /Co ²⁺ , die Co(II)-Spezies in Co₂ P kann im Elektronentransferprozess zu Co(III) oxidiert werden und H₂ O₂ wird auf H₂ . reduziert O irreversibel. Während des amperometrischen Tests beträgt die angelegte Vorspannung − 0,5 V gegenüber Ag/AgCl (entspricht 0,14 V gegenüber. NHE), das niedriger ist als das Standard-Redoxpotential von Co ³⁺ /Co ²⁺ . Dadurch kann das oxidierte Co(III) zu Co(II) reduziert werden und diese katalytisch aktiven Zentren von Co(II) werden wieder regeneriert. Daraus kann geschlossen werden, dass der Katalysezyklus der Co(II)-Spezies während der elektrochemischen Detektion von H₂ . stattfindet O₂ und die reduzierten Co-Spezies mit niedriger Wertigkeit werden durch H₂ . oxidiert O₂ nach wiederholten Messungen.

Selektivität, Stabilität, Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit von Co₂ P/ITO-Elektrode

Die Anti-Interferenz-Leistung ist eine weitere wichtige Eigenschaft des Biosensors. Um den Einfluss von gelöstem Sauerstoff in der Lösung zu vermeiden, wurde hochreiner Stickstoff verwendet, da Sauerstoff bei ähnlichem Potential reduziert werden konnte, das im amperometrischen Test angewendet wurde [51]. Vergleich der CV-Kurven von Co₂ P/ITO in 0,1 M PBS mit oder ohne Stickstoffspülung, das Reduktionspotenzial und die aktuelle Reaktion von 2,5 mM H₂ O₂ sind ähnlich, wie in Abb. S8 gezeigt, was darauf hindeutet, dass die Interferenz durch gelösten Sauerstoff vernachlässigt werden kann. Selektivität von Co₂ P/ITO wurde auch mit üblichen Substanzen und anderen kleinen Molekülen in Körperflüssigkeiten wie einigen anorganischen Salzen, Sacchariden, Aminosäuren und reduktiven Biomolekülen getestet. Wie in Abb. 4a gezeigt, kann die aktuelle Reaktion nach Hinzufügen der obigen Interferenten im Vergleich zur Reaktion von 1,0 mM H₂ . vernachlässigt werden O₂ . Da beide O-Atome von H₂ O₂ mit einem oder zwei Co-Atomen gebunden sein [52], das H₂ O₂ Molekül würde chemisch an Co(II)-Spezies in Co₂ . adsorbieren P speziell. Darüber hinaus kann die Störung durch wahllose Oxidation einiger reduktiver Verbindungen in realen biologischen Proben bei hohem Potential auch bei niedrigerem Bias-Potential deutlich reduziert werden [53]. Daher ist die günstige Selektivität von Co₂ P in Richtung H₂ O₂ profitiert hauptsächlich von der Co(II)-Spezies als spezifische Adsorptionsstellen und dem angelegten negativen Bias-Potential während des Sensorprozesses.

a Amperometrische Reaktionen von Co₂ P/ITO-Elektrode mit Zusatz von 1 mM H₂ O₂ und andere störende Spezies (10 mM NaCl, KCl, Glu, Fru, Harnstoff, L-Gly, L-Arg, L-Lys, AA; 1 mM DA, UA; 0,5 mM APAP) in 0,1 M PBS. b Die kathodischen Spitzenströme von zehn aufeinander folgenden Scan-CV-Kurven in 50 μM H₂ O₂ . c Reproduzierbarkeit von sechs Co₂ P/ITO-Elektroden zum Nachweis von 1,0 mM H₂ O₂ . d Wiederholbarkeit von Co₂ P/ITO-Elektrode zum Nachweis von 1,0 mM H₂ O₂ achtmal

Darüber hinaus sind die Stabilität, Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit des Co₂ P/ITO-Wandler wurden ebenfalls bewertet. Die Reduktionsspitzenströme von zehn aufeinander folgenden Scan-CV-Kurven in 50 μM H₂ O₂ ist in Abb. 4b gezeigt. Nach zehn Zyklen sank der Spitzenstrom der Elektrode nur um 2,7 %. Darüber hinaus behielt der Sensor nach einmonatiger Lagerung an der Luft etwa 98,2 % seiner anfänglichen Stromantwort bei (Abb. S9), was eine ideale Erkennungsstabilität und eine hervorragende Langzeitbeständigkeit demonstriert. Die Reproduzierbarkeit von Elektrode zu Elektrode wird durch Berechnung der relativen Standardabweichung (RSD) von H₂ . untersucht O₂ aktuelle Antworten. Um potenzielle Fehler bei der Elektrodenherstellung so weit wie möglich zu eliminieren, muss die konstante Stromdichte in Gegenwart von H₂ O₂ wird vom anfänglichen Hintergrundsignal der einzelnen Elektrode subtrahiert und der erhaltene Differenzwert wird als elektrochemische Reaktion jeder Elektrode betrachtet. Sechs Co₂ P/ITO-Elektroden wurden unter den gleichen Bedingungen für kontrollierte Experimente hergestellt und die RSD der Stromantworten betrug 1,24%, wie in Abb. 4c gezeigt, was auf die relativ hervorragende Reproduzierbarkeit von Co₂ . hinweist P/ITO. In der Zwischenzeit wurde die Wiederholbarkeit an einer Elektrode gemessen, indem 1,0 mM H₂ . nachgewiesen wurde O₂ achtmal, und die RSD von 1,14 % wurde erreicht (Abb. 4d). Die obigen Ergebnisse veranschaulichen die zufriedenstellende Stabilität, Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit der Elektrode für den nicht-enzymatischen elektrochemischen Nachweis von H₂ O₂ .

Schlussfolgerung

Zusammenfassend, Co₂ P-NPs wurden erfolgreich durch hydrothermale Verfahren synthetisiert. Darüber hinaus ist das Co₂ P-NPs, die 12 h lang bei 200 °C hergestellt wurden, haben sich als effizienter Katalysator für die elektrochemische Reduktion von H₂ . erwiesen O₂ in pH 7,4 PBS. Als nicht-enzymatisches H₂ O₂ Sensor, der Co₂ Die P/ITO-Elektrode zeigte eine schnelle amperometrische Reaktion von weniger als 5 s, einen breiteren Reaktionsbereich von 0,001 bis 10,0 mM und eine niedrige Nachweisgrenze von 0,65 μM sowie zufriedenstellende Selektivität, Reproduzierbarkeit und Stabilität. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Forschung über die Anwendung von Übergangsmetallphosphid beim elektrochemischen Nachweis kleiner Biomoleküle und unseres Co₂ . zu erweitern P/ITO-Sensor könnte als neue nicht-enzymatische Plattform für H₂ . konzipiert werden O₂ Erkennung.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten und Materialien sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

NPs:

Nanopartikel

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

HRTEM:

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie

XRD:

Röntgenbeugung

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

EDX:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

Lebenslauf:

Zyklische Voltammetrie

I-t:

Amperometrie

Gly:

Glycin

AA:

Ascorbinsäure

UA:

Harnsäure

Arg:

Arginin

Lys:

Lysin

DA:

Dopamin

APAP:

Acetaminophen

ATMP:

Trimethylenphosphonsäure

PBS:

Phosphatpuffer

LOD:

Nachweisgrenze

RSD:

Relative Standardabweichung