Kobaltphosphid-Nanopartikel: Ein Robuster Elektrokatalysator für Sensitives, Enzymfreies Wasserstoffperoxid-Nachweis

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurden Kobaltphosphid-Nanopartikel (Co₂P NPs) durch eine einfache und milde hydrothermale Methode ohne Verwendung schädlicher Phosphorquellen hergestellt. Die morphologische Struktur und die Oberflächenkomposition von Co₂P wurden durch Transmissionelektronenmikroskopie, Röntgenbeugung und Röntgenphotoelektronenspektroskopie charakterisiert. In Anbetracht der hervorragenden elektrokatalytischen Reduktionsaktivität und der guten elektrischen Leitfähigkeit von Übergangsmetallphosphiden fertigten wir Co₂P NPs auf Indium-Zinn-Oxid-Substrat (ITO) an (Co₂P/ITO) für H₂O₂-Nachweis. Der Co₂P/ITO-Transducer zeigte eine schnelle amperometrische Reaktionszeit von weniger als 5 s, einen breiteren Nachweisbereich von 0,001 bis 10,0 mM und eine niedrige Nachweisgrenze von 0,65 μM. Darüber hinaus zeigte der nicht-enzymatische Co₂P/ITO-Sensor herausragende Selektivität, Reproduzierbarkeit, Wiederholbarkeit und Stabilität, was den Co₂P/ITO-Elektroden als zuverlässige und vielversprechende Biosensorplattform für H₂O₂-Sensorik qualifiziert.

Einleitung

Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist eine repräsentative reaktive Sauerstoffspezies in lebenden Organismen und spielt eine kritische Rolle in der normalen physiologischen Funktion [1]. Die Konzentration von H₂O₂ in lebenden Zellen steht in engem Zusammenhang mit dem physiologischen Gleichgewicht der Zelle [2]. Zahlreiche Studien haben auch berichtet, dass Krebs, Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit und einige schwere Erkrankungen durch abnormale H₂O₂-Konzentrationen verursacht werden können [3,4,5]. Die Entwicklung präziser, sensitiver, schneller und selektiver Methoden zum Nachweis der H₂O₂-Konzentration, eines normalen oxidativen Stress-Biomarkers, wird zweifellos der Früherkennung zugutekommen. Bisher wurden zahlreiche analytische Methoden wie Spektroskopie [6], Kolorimetrie [7], Fluoreszenz [8, 9] und elektrochemische Methoden [10,11,12] zur H₂O₂-Bestimmung angewendet. Die elektrochemische Methode, insbesondere der amperometrische Test, wird aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Sensitivität, ausgezeichneter Selektivität und niedriger Kosten allmählich zu einer der einfachsten und effektivsten Nachweismethoden für die biologische H₂O₂-Analyse unter den verschiedenen Sensormethoden.

Enzymatische elektrochemische Sensoren haben sich als effektive Instrumente für den H₂O₂-Nachweis erwiesen. Die großtechnische praktische Anwendung enzymbasierter Sensoren wird jedoch durch komplizierte Immobilisierung, Umweltinstabilität und geringe Reproduzierbarkeit begrenzt. Daher ist die Entwicklung nicht-enzymatischer elektrochemischer H₂O₂-Sensoren unverzichtbar.

In den letzten Jahren wurden eine wachsende Anzahl von Sensoren basierend auf Edelmetallen [13,14,15], unedlen Metallen und ihren entsprechenden Verbindungen [16,17,18,19] oder Kohlenstoffmaterialien [20, 21] für den elektrochemischen H₂O₂-Nachweis verwendet. Als elektrochemisch aktive Materialien für die Herstellung nicht-enzymatischer Biosensoren haben Übergangsmetallverbindungen zunehmendes Interesse erfahren. Übergangsmetallphosphide (TMPs) sind eine Klasse neu entwickelter Materialien mit hervorragender elektrokatalytischer Aktivität, guter elektrischer Leitfähigkeit und vielen herausragenden Eigenschaften. Daher wurden sie intensiv für Anwendungen in der Wasserspaltung [22, 23], Hydrodesulfurisierung [24] und Superkondensatorelektroden [25] untersucht. Neuere Forschungen deuten darauf hin, dass CoP, Ni₂P und Cu₃P [26,27,28] auch als effiziente Elektrokatalysatoren für nicht-enzymatischen H₂O₂-Nachweis dienen können. Die Anzahl der Forschungen zur Anwendung von TMPs in der Bioanalyse ist jedoch derzeit noch begrenzt. Zudem kann die Verwendung von Triphenylphosphin [29, 30], weißem Phosphor [31, 32] oder anderen umweltgefährlichen Phosphorquellen [33] das operationelle Risiko bei der Herstellung von TMPs erhöhen. Daher ist Forschungsarbeit zur Entwicklung grüner Methoden in der TMP-Herstellung in diesem Bereich lohnenswert.

In dieser Arbeit wurden Kobaltphosphid-Nanopartikel (Co₂P NPs) durch eine einstufige hydrothermale Methode unter Verwendung von Kobaltacetat und rotem Phosphor als Rohstoffe hergestellt. Hier fertigten wir Co₂P NPs durch Tropfauftrag auf Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Substrat für H₂O₂-Nachweis an. Co₂P zeigte hervorragende elektrokatalytische Aktivität zur H₂O₂-Reduktion. Zudem offenbarte es günstige Selektivität, ausgezeichnete Reproduzierbarkeit und gute Stabilität, was sein Potenzial als sensible Plattform für H₂O₂-Nachweis demonstrierte.

Experimenteller Teil

Reagenzien und Materialien

Alle Reagenzien waren analytischer Qualität und wurden ohne weitere Reinigung verwendet. Kobalt(II)-acetat-tetrahydrat (Co(Ac)₂·4H₂O), Kobaltchlorid-hexahydrat (CoCl₂·6H₂O), D-(+)-Glucose, L-Glycin (L-Gly), Ascorbinsäure (AA), Harnsäure (UA), Harnstoff, NaCl, KCl, NaH₂PO₄, Na₂HPO₄, Wasserstoffperoxid (30% H₂O₂), Ethanol und Aceton wurden von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. China bezogen. D-(–)-Fructose, L-Arginin (L-Arg), L-Lysin (L-Lys), Dopamin (DA), Acetaminophen (APAP), Aminotrimethylenphosphonsäure (ATMP, 50 Gew.-%) wurden von Aladdin Ltd. bezogen. Kommerzieller roter Phosphor (98,5%, 100 Mesh) wurde von Energy Chemical Technology (Shanghai) Co., Ltd. bezogen. Nafion PFSA-Polymerextrusion (5%) wurde von Beijing Honghaitian Technology Co., Ltd. bezogen. Deionisiertes Wasser wurde in allen Experimenten verwendet. 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 Ω) wurde von Shenzhen South Xiangcheng Technology Co., Ltd. geliefert.

Synthese von Co₂P-Nanopartikeln

Kommerzieller roter Phosphor (2 g) wurde in 15 mL H₂O unter Sonikation dispergiert und bei 200 °C für 12 h in einem 50 mL Teflon-ausgekleideten Edelstahlautoklaven hydrothermal behandelt, um Oxidschichten zu entfernen [34]. Anschließend wurde der hydrothermal behandelte rote Phosphor in einem Vakuumofen getrocknet. Nach Abschluss der Vorbehandlung des roten Phosphors wurde 1 mmol Co(Ac)₂·4H₂O in 30 mL destilliertem Wasser gelöst, um eine wässrige Lösung zu erhalten. Dann wurde der hydrothermal behandelte rote Phosphor unter Ultraschall für 15 min mit einem molaren Verhältnis von Co/P 1/10 in die Lösung gegeben. Die hergestellte Suspension wurde rasch in einen 50 mL Teflon-ausgekleideten Autoklaven gegossen. Anschließend wurde der Autoklav in einen elektronischen Ofen gestellt und bei 160, 200, 240 °C für jeweils 12 h hydrothermal behandelt. Das Produkt wurde durch Zentrifugation gesammelt und jeweils dreimal mit destilliertem Wasser und Ethanol gewaschen. Schließlich wurden Co₂P NPs bei 60 °C für 3 h an der Luft getrocknet.

Synthese von Co(PO₃)₂

Die Herstellungsmethode von Co(PO₃)₂ wurde einem früheren Bericht [35] entnommen. Zunächst wurde eine 0,1 M CoCl₂·6H₂O-Methanollösung hergestellt. Dann wurden 2 mL ATMP (50 wt%) tropfenweise in 20 mL der oben genannten violetten Lösung gegeben und 30 min gerührt. Der unlösliche Kobalt-Metaphosphat-Koordinationspolymer bildete sich anschließend in der Lösung. Das erhaltene rosa Pulver wurde weiter auf 900 °C unter Ar-Gasfluss mit einer Heizrate von 5 °C·min⁻¹ erhitzt und 2 h gehalten. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur wurde das schwarze Produkt gesammelt und bei 650 °C für 4 h an der Luft nacherhitzt, um den karbonisierten organischen Liganden zu entfernen. Schließlich wurde das hellviolette Pulver von Co(PO₃)₂ erhalten.

Herstellung der Co₂P/ITO-Elektrode

Zunächst wurde das ITO-Glas (1 cm × 2 cm) jeweils 10 min in Aceton, Ethanol und deionisiertem Wasser durch Sonikation gereinigt. Anschließend wurde das behandelte ITO unter Stickstoffstrom getrocknet. Für die Modifikation der Elektrode wurden 5 mg Co₂P NPs in 1 mL deionisiertem Wasser dispergiert, um eine 5 mg mL⁻¹ Co₂P-Suspension zu bilden. Dann wurden 5 μL 5% Nafion-Lösung in die Suspension gegeben und das Gemisch 15 min ultraschalliert, um eine gleichmäßige, tintenähnliche Suspension zu erhalten. Die Co₂P/ITO-Elektrode wurde durch Tropfauftrag von 100 μL Co₂P-Suspension auf die ITO-Oberfläche hergestellt und an der Luft als Arbeitselektrode getrocknet. Der schematische Herstellungsprozess der Co₂P/ITO-Elektrode ist in Schema 1 dargestellt.

Kobaltphosphid-Nanopartikel: Ein Robuster Elektrokatalysator für Sensitives, Enzymfreies Wasserstoffperoxid-Nachweis — Schematische Herstellung der Co₂P/ITO-Elektrode und H₂O₂-Sensorik

Charakterisierungen

Die Röntgenbeugungsdaten (XRD) wurden mit einem D8 ADVANCE-Diffraktometer mit Cu Kα-Strahlung analysiert. Die Transmissionelektronenmikroskopie (TEM) wurde mit einem Tecnai G2 F20 mit energiedispersivem Spektraldetektor durchgeführt. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) Spektren wurden auf einem Thermo ESCALAB 250XI-Spektrometer gemessen.

Elektrochemische Messungen

Voltammetrie-Messungen wurden mit einem CHI 660E elektrochemischen Arbeitsplatz in einem Drei-Elektroden-System durchgeführt, wobei die Co₂P/ITO-Elektrode als Arbeitselektrode, eine Platinfolie (1 cm × 1 cm) als Gegenelektrode und Ag/AgCl mit 3 M KCl-Lösung als Referenzelektrode diente, um die elektrochemischen Aktivitäten der synthetisierten Proben für H₂O₂-Nachweis zu untersuchen. Phosphatpufferlösung (PBS; 0,1 M, pH 7,4) wurde als Elektrolyt verwendet, um das physiologische Medium im menschlichen Körper zu simulieren. Die Sensorleistungen der Co₂P/ITO-Elektrode gegenüber H₂O₂-Nachweis wurden durch Zyklovoltammetrie (CV) und Amperometrie (I-t) untersucht. Alle Nachweisexperimente wurden bei 100 U/min Rühren bei Raumtemperatur durchgeführt. Elektrochemische Impedanztests wurden auf einem VersaSTAT 3F elektrochemischen Arbeitsplatz durchgeführt, wobei Ferricyanidlösung als Elektrolyt für die Impedanzmessung diente.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung von Co₂P NPs

Die Kristallstruktur von Co₂P NPs wurde durch XRD-Messung bestätigt. Abbildung 1a zeigt die XRD-Muster von Co₂P-Proben, die bei 160, 200 und 240 °C für 12 h hergestellt wurden. Die Co₂P-Probe, die bei 200 °C hergestellt wurde, zeigt Beugungspeaks bei etwa 40,7°, 40,9°, 52,0° und 56,2°, die den charakteristischen Beugungsebenen (121), (201), (002) und (320) für die orthorhombische Phase von Co₂P (JCPDS Nr. 32-0306) entsprechen. Wenn die Temperatur von 160 auf 200 °C variiert, nehmen die Intensitäten der Beugungspeaks zu und die Peaks werden schmaler und schärfer, was darauf hindeutet, dass die Produkte bei 200 °C eine höhere Kristallinität aufweisen. Erreicht die Temperatur jedoch 240 °C, bilden sich Verunreinigungen und der Beugungspeak bei 29,7° wird der Beugungsebene (-222) von Co(PO₃)₂ (JCPDS Nr. 27-1120) zugeschrieben. Der Einfluss der Synthesezeit auf die Herstellung von Co₂P unter 200 °C ist in Zusatzdatei 1: Abb. S1 dargestellt. Wenn die Zeitdauer auf 12 h kontrolliert wurde, zeigten die erhaltenen Co₂P NPs den niedrigsten Wert der vollen Breite bei halber Maximalhöhe des (121)-Peaks, was auf bessere Kristallinität hindeutet. Zudem existierten keine Verunreinigungen in der Probe, wenn die Reaktionszeit von 6 bis 24 h variierte. Nach der Scherrer-Formel betrug die berechnete Korngröße von Co₂P NPs, die bei 200 °C für 12 h hergestellt wurden, 14,2 nm.

Die Morphologie von Co₂P NPs wurde durch TEM-Messungen beurteilt. Wie in Abb. 1b gezeigt, besteht das bei 200 °C hergestellte Produkt aus unregelmäßigen Nanopartikeln mit einem Durchmesser von etwa 10–20 nm, und zwei Gitterstreifen sind im hochauflösenden TEM-Bild (HRTEM) (Inset in Abb. 1b) deutlich sichtbar. Der Abstand zwischen den benachbarten Ebenen beträgt 0,22 nm, was den (121)-Facetten von Co₂P entspricht, was die Bildung von TMP als Co₂P weiter bestätigt.

Die XPS-Technik wurde zur Analyse der chemischen Zusammensetzungen an der Oberfläche von Co₂P eingesetzt. Zusatzdatei 1: Abb. S2 zeigt das XPS-Übersichtsspektrum von Co₂P. Co, P und O Elemente wurden in der Probe detektiert, was die Existenz von Co₂P und einigen oxidierten Produkten bestätigt. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) Spektren von Co₂P (Zusatzdatei 1: Abb. S3) bestätigen weiterhin das Vorhandensein der drei Elemente (Co, P, O) in der Probe. Die hochauflösenden XPS-Spektren von Co 2p und P 2p sind in Abb. 1c, d dargestellt. Im Co 2p-Spektrum können die Peaks bei 781,1 und 797,6 eV den Bindungsenergien (BEs) von Co²⁺ 2p_3/2 und Co²⁺ 2p_1/2 zugeordnet werden [26, 36]. Die Peaks bei 786,0 und 803,1 eV sind zwei offensichtliche Shake-up-Satellitenpeaks. Die Co 2p BE von 778,2 eV verschiebt sich positiv gegenüber der von metallischem Co (777,9 eV), was darauf hindeutet, dass Co in Co₂P eine partielle positive Ladung (δ⁺) mit einem kleinen Wert (0 < δ < 2) aufweist [37]. Im Gegensatz dazu verschiebt sich die P 2p BE von 129,4 eV negativ gegenüber der von elementarem P (130,2 eV), sodass P in Co₂P eine partielle negative Ladung (δ⁻) hat. Die Änderungen der BE in Co- und P-Element im Vergleich zu ihren elementaren Substanzen zeigen, dass die Richtung des Elektronendichtetransfers in Co₂P von Co zu P erfolgt [38]. Oberflächliche Oxidation von Co₂P erzeugt einige 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 H₂O₂ an der Co₂P/ITO-Elektrode

Um die elektrokatalytische Aktivität von Co₂P NPs bei der H₂O₂-Reduktion zu untersuchen, entwarfen wir eine nicht-enzymatische H₂O₂-Elektrode durch Tropfauftrag von Co₂P NPs Suspension auf eine blanko ITO-Oberfläche. Abbildung 2a zeigt die CV-Kurven von blanko ITO und Co₂P/ITO in 0,1 M PBS bei pH 7,4 mit und ohne 5,0 mM H₂O₂. Die gestrichelten Linien zeigen an, dass die Reaktion von blanko ITO auf H₂O₂-Reduktion vernachlässigbar ist. Die Co₂P/ITO-Elektrode zeigt jedoch einen bemerkenswerten Reduktionspeak bei −0,5 V in Gegenwart von H₂O₂, was die herausragende elektrokatalytische Aktivität von Co₂P NPs zur H₂O₂-Reduktion demonstriert. Abbildung 2b stellt die CV-Kurven von Co₂P/ITO bei verschiedenen Scanraten (30 bis 100 mV s⁻¹) mit 2,5 mM H₂O₂ dar. Bei Erhöhung der Scanrate nahm der Reduktionspeakstrom zu und das Peakpotential verschob sich auf die negativere Potenzialseite, was darauf hindeutet, dass die H₂O₂-Reduktion an Co₂P/ITO eine irreversible Reaktion war. Die entsprechende Kalibrierkurve (Inset, Abb. 2b) zeigt, dass die Reduktionspeakstromdichten linear proportional zur Scanrate zunehmen, was suggeriert, dass die elektrochemische Reduktion von H₂O₂ an der Oberfläche der Co₂P/ITO-Elektrode ein oberflächenkontrollierter Prozess ist [40].

Abbildung 2c, d zeigen die amperometrische Antwort und die Kalibrierkurve der Co₂P/ITO-Elektrode bei sukzessiver Zugabe von H₂O₂ in 0,1 M PBS bei −0,5 V mit Rühren. Die Co₂P/ITO-Elektrode zeigte eine schnelle Reaktion auf die Zugabe von H₂O₂ und erreichte den stationären Strom innerhalb von 5 s. Die Kalibrierkurve in Abb. 2d zeigt, dass der Transducer einen multi-linearen Bereich der H₂O₂-Konzentration von 0,001 bis 1,0 mM, 1,0–5,0 mM und 5,0–10,0 mM aufweist. Die Sensitivität des Sensors ändert sich mit zunehmender H₂O₂-Konzentration, aufgrund der Änderung der elektrokatalytischen Reduktionskinetik von H₂O₂ an der Elektrodenoberfläche. Nach früheren Berichten wird der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der H₂O₂-Reduktion bei niedriger Konzentration von der H₂O₂-Adsorption dominiert, während die Aktivierung von H₂O₂ bei hoher Konzentration der Hauptbestimmungsfaktor ist. Im mittleren Bereich wird die Reduktionskinetik von H₂O₂ gleichzeitig durch Adsorption und Aktivierung kontrolliert [10]. Eine Vielzahl von Analyten adsorbiert an der Oberfläche von Co₂P und bedeckt die aktiven Stellen bei hoher Konzentration, was zu einer Abnahme der Sensitivität führt [41].

Der Vergleich der H₂O₂-Sensorleistungen der hergestellten Co₂P-Proben bei verschiedenen Reaktionstemperaturen und -zeiten ist in Zusatzdatei 1: Abb. S4, S5 und Tabelle S1 dargestellt, was zeigt, dass die Co₂P-Probe, die bei 200 °C für 12 h hergestellt wurde, die besten H₂O₂-Sensorleistungen aufweist. Wenn die Reaktionstemperatur auf 240 °C erhöht wird, kann das gebildete Co(PO₃)₂ in Co₂P als Verunreinigung betrachtet werden. Um den Einfluss von Co(PO₃)₂ auf den H₂O₂-Nachweis weiter zu klären, wurden die elektrochemischen Eigenschaften von Co(PO₃)₂ untersucht. Wie in Zusatzdatei 1: Abb. S6 gezeigt, zeigt Co(PO₃)₂ eine vernachlässigbare elektrochemische Reaktion auf H₂O₂ und seine Leitfähigkeit ist schlechter als die von Co₂P, was das Stromsignal von Co₂P/ITO im amperometrischen Test verringert. Daher können die höhere Reinheit und bessere Kristallinität der Co₂P-Probe zur Verbesserung der Sensorleistungen beitragen. Daher wählen wir die Co₂P-Probe, die bei 200 °C und 12 h hergestellt wurde, als bestes H₂O₂-Sensormaterial. Die Kalibrier-I-t-Kurve zeigt auch eine gute lineare Beziehung im Konzentrationsbereich von 1,0–50 μM, dem physiologischen Bereich der H₂O₂-Konzentration in Biosystemen (Abb. S7) [28], was die Möglichkeit praktischer Anwendungen dieses Sensors verbessern könnte. Zusätzlich kann die Nachweisgrenze (LOD) des H₂O₂-Sensors auf 0,65 μM bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 3 berechnet werden. Im Vergleich zu zuvor berichteten H₂O₂-Sensoren sind die umfassenden elektrochemischen Leistungen unseres Co₂P/ITO-Transducers denen mit günstiger Sensitivität, linearem Bereich und LOD überlegen, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Nach wiederholter Detektion von 1,0 mM H₂O₂ für 35 Mal (Abb. 3a, b) werden die XPS-Spektren in den Co 2p und P 2p Bereichen von Co₂P analysiert, um den Sensorenmechanismus weiter zu untersuchen. Es gibt keine signifikante Änderung in der Position der Peaks im P 2p Bereich vor und nach H₂O₂-Detektion. Die Peaks bei 778,2 und 793,0 eV im Co 2p Spektrum verschwanden jedoch nach mehrfacher Messung. Da der Peak bei 778,2 eV die Existenz reduzierter Co-Spezies in der Co₂P-Probe anzeigt [37], demonstriert das Verschwinden dieser beiden Peaks, dass die reduzierten Co-Spezies mit niedriger Valenz in Co₂P durch H₂O₂ während des Detektionsprozesses oxidiert werden können, insbesondere bei hoher H₂O₂-Konzentration. Die verbleibenden Peaks im Co 2p Bereich (782,1 und 798,3 eV) werden Co²⁺ 2p_3/2 und Co²⁺ 2p_1/2 zugeordnet, was die ausschließliche Existenz von Co(II)-Spezies in Co₂P nach mehrfacher Messung suggeriert. Nach früheren Berichten über die Nutzung kobaltbasierter Elektrokatalysatoren im H₂O₂-Nachweis werden Co²⁺-Spezies als katalytisch aktive Stellen für die H₂O₂-Reduktion demonstriert [46,47,48]. Generell verläuft die elektrochemische Reduktion von H₂O₂ in PBS in zwei Schritten [49, 50], wie unten dargestellt.

$${\text{H}}_{{2}} {\text{O}}_{{2}} + {\text{ e}}^{ - } \to {\text{OH}}_{{{\text{ad}}}} + {\text{ OH}}^{ - }$$ (1)

$${\text{OH}}_{{{\text{ad}}}} + {\text{ e}}^{ - } \to {\text{OH}}^{ - }$$ (2)

$${\text{2OH}}^{ - } + {\text{ 2H}}^{ + } \to {\text{2H}}_{{2}} {\text{O}}$$ (3)

Im ersten Schritt erhält H₂O₂ ein Elektron, um adsorbiertes OH⁻ (OH_ad) zu bilden. Wenn das Intermediat OH_ad ein weiteres Elektron erhält, wird das endgültige Reduktionsprodukt von H₂O₂, H₂O, erzeugt. Da das Redoxpotential von H₂O₂/H₂O höher ist als Co³⁺/Co²⁺, können die Co(II)-Spezies in Co₂P im Elektronentransferprozess zu Co(III) oxidiert werden, und H₂O₂ wird irreversibel zu H₂O reduziert. Während des amperometrischen Tests beträgt die angelegte Bias-Spannung −0,5 V versus Ag/AgCl (entspricht 0,14 V vs. NHE), was niedriger ist als das Standard-Redoxpotential von Co³⁺/Co²⁺. Als Ergebnis kann das oxidierte Co(III) zu Co(II) reduziert werden, und diese katalytisch aktiven Stellen von Co(II) werden erneut regeneriert. Daher kann geschlossen werden, dass der katalytische Zyklus der Co(II)-Spezies während des elektrochemischen Nachweises von H₂O₂ stattfindet und die reduzierten Co-Spezies mit niedriger Valenz nach wiederholten Messungen durch H₂O₂ oxidiert werden.

Selektivität, Stabilität, Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit der Co₂P/ITO-Elektrode

Anti-Interferenz-Leistung ist eine weitere wichtige Eigenschaft von Biosensoren. Hochreiner Stickstoff wurde verwendet, um den Einfluss von gelöstem Sauerstoff in der Lösung zu vermeiden, da Sauerstoff bei ähnlichem Potenzial reduziert werden konnte, das im amperometrischen Test angewendet wurde [51]. Beim Vergleich der CV-Kurven von Co₂P/ITO in 0,1 M PBS mit oder ohne Stickstoffspülung sind das Reduktionspotential und die Stromreaktion von 2,5 mM H₂O₂ ähnlich, wie in Abb. S8 gezeigt, was daher suggeriert, dass die Interferenz von gelöstem Sauerstoff vernachlässigt werden kann. Die Selektivität von Co₂P/ITO wurde auch mit gängigen Substanzen und anderen kleinen Molekülen in Körperflüssigkeiten getestet, wie anorganischen Salzen, Sacchariden, Aminosäuren und reduktiven Biomolekülen. Wie in Abb. 4a gezeigt, kann die Stromreaktion nach Zugabe der oben genannten Interferenzen im Vergleich zur Reaktion von 1,0 mM H₂O₂ vernachlässigt werden. Da beide O-Atome von H₂O₂ mit einem oder zwei Co-Atomen gebunden sein können [52], würde das H₂O₂-Molekül spezifisch an Co(II)-Spezies in Co₂P chemisch adsorbieren. Zusätzlich kann die Interferenz durch wahllose Oxidation einiger reduktiver Verbindungen in echten biologischen Proben bei hohem Potenzial auch signifikant bei niedrigerer Bias-Spannung reduziert werden [53]. Daher profitiert die günstige Selektivität von Co₂P gegenüber H₂O₂ hauptsächlich von den Co(II)-Spezies als spezifische Adsorptionsstellen und der angewendeten negativen Bias-Spannung während des Sensierprozesses.

Zudem wurden die Stabilität, Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit des Co₂P/ITO-Transducers bewertet. Die Reduktionspeakströme von zehn aufeinanderfolgenden CV-Kurven in 50 μM H₂O₂ sind in Abb. 4b dargestellt. Nach zehn Zyklen fiel der Peakstrom der Elektrode nur um 2,7%. Zusätzlich behielt der Sensor nach einmonatiger Lagerung an der Luft etwa 98,2% seiner ursprünglichen Stromreaktion (Abb. S9), was ideale Detektionsstabilität und herausragende Langzeitbeständigkeit demonstriert. Die Elektrode-zu-Elektrode-Reproduzierbarkeit wurde durch Berechnung der relativen Standardabweichung (RSD) der H₂O₂-Stromreaktionen untersucht. Um potenzielle Fehler aus der Elektrodenherstellung so weit wie möglich zu eliminieren, wird der stationäre Stromdichte in Gegenwart von H₂O₂ um das initiale Hintergrundsignal der individuellen Elektrode subtrahiert und der erhaltene Differenzwert als elektrochemische Reaktion jeder Elektrode betrachtet. Sechs Co₂P/ITO-Elektroden wurden unter gleichen Bedingungen für Kontrollexperimente hergestellt und die RSD der Stromreaktionen betrug 1,24%, wie in Abb. 4c gezeigt, was die relativ ausgezeichnete Reproduzierbarkeit von Co₂P/ITO anzeigt. Gleichzeitig wurde die Wiederholbarkeit an einer Elektrode durch achtmaliges Detektieren von 1,0 mM H₂O₂ gemessen, und eine RSD von 1,14% wurde erreicht (Abb. 4d). Die obigen Ergebnisse illustrieren die zufriedenstellende Stabilität, Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit der Elektrode für den nicht-enzymatischen elektrochemischen Nachweis von H₂O₂.

Fazit

Zusammenfassend wurden Co₂P NPs erfolgreich durch hydrothermale Methode synthetisiert. Darüber hinaus wurde bewiesen, dass die bei 200 °C für 12 h hergestellten Co₂P NPs ein effizienter Katalysator für die elektrochemische Reduktion von H₂O₂ in pH 7,4 PBS sind. Als nicht-enzymatischer H₂O₂-Sensor zeigte die Co₂P/ITO-Elektrode eine schnelle amperometrische Reaktionszeit von weniger als 5 s, einen breiteren Nachweisbereich 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 zur Anwendung von Übergangsmetallphosphiden im elektrochemischen Nachweis kleiner Biomoleküle zu erweitern, und unser Co₂P/ITO-Sensor könnte als neue nicht-enzymatische Plattform für H₂O₂-Nachweis konzipiert werden.