Kobaltfosfide (Co2P) met opmerkelijke elektrokatalytische activiteit Ontworpen voor gevoelige en selectieve enzymloze bioanalyse van waterstofperoxide

Resultaten en discussie

Karakterisering van Co₂ P NP's

De kristalstructuur van Co₂ P NP's werden bevestigd door XRD-meting. Afbeelding 1a toont de XRD-patronen van Co₂ P-monsters bereid bij 160, 200 en 240 ° C gedurende 12 uur. De Co₂ P-monster bereid bij 200 ° C vertoont diffractiepieken bij ongeveer 40,7 °, 40,9 °, 52,0 ° en 56,2 ° die overeenkomen met de karakteristieke diffractievlakken op (121), (201), (002) en (320) voor de orthorhombische fase van Co₂ P (JCPDS nr. 32-0306). Wanneer de temperatuur varieerde van 160 tot 200 °C, namen de intensiteiten van de diffractiepieken toe en werden de pieken smaller en scherper, wat aangeeft dat de producten een hogere kristalliniteit hadden bij 200 °C. Toen de temperatuur echter 240 °C bereikte, werden enkele onzuiverheden gevormd en de diffractiepieken bij 29,7 ° werden toegeschreven aan het diffractievlak bij (-222) van Co(PO₃ )₂ (JCPDS nr. 27-1120). De invloed van synthetische tijd op de bereiding van Co₂ P onder 200 °C wordt weergegeven in aanvullend bestand 1:Fig. S1. Wanneer de tijdsduur binnen 12 uur werd gecontroleerd, werd de verkregen Co₂ P NP's vertoonden de laagste waarde van de volledige breedte bij het halve maximum van (121) piek, wat een betere kristalliniteit suggereert. Bovendien waren er geen onzuiverheden in het monster toen de reactietijd varieerde van 6 tot 24 uur. Volgens de Scherrer-formule is de berekende korrelgrootte van Co₂ P NP's bereid bij 200 °C gedurende 12 uur waren 14,2 nm.

een XRD-patronen van Co₂ P NP's bereid bij verschillende temperaturen gedurende 12 uur. b Transmissie-elektronenmicroscopisch beeld en transmissie-elektronenmicroscopisch beeld met hoge resolutie (inzet) van Co₂ P NP's. XPS-spectra van Co₂ P in de c Co 2p regio en d P 2p regio

De morfologie van Co₂ P NP's werden beoordeeld door TEM-metingen. Zoals getoond in Fig. 1b, is het product bereid bij 200 ° C samengesteld uit onregelmatige nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 10-20 nm en twee roosterranden zijn duidelijk te zien in het TEM-beeld (HRTEM) met hoge resolutie (inzet in Fig. 1b). De afstand tussen de aangrenzende vlakken is 0,22 nm, wat overeenkomt met de (121) facetten van Co₂ P, wat verder bevestigt dat de vorming van TMP Co₂ . is P.

De XPS-techniek werd gebruikt bij het analyseren van de chemische samenstellingen op het oppervlak van de Co₂ P. Aanvullend bestand 1:Fig. S2 toont het XPS-onderzoeksspectrum van Co₂ P. Co-, P- en O-elementen worden gedetecteerd in het monster, wat het bestaan ​​van Co₂ . bevestigt P en sommige geoxideerde producten. Energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDX) spectra van Co₂ P (Aanvullend bestand 1:Fig. S3) bevestigt verder het naast elkaar bestaan ​​van drie elementen (Co, P, O) in het monster. De XPS-spectra met hoge resolutie van Co 2p en P 2p worden respectievelijk getoond in Fig. 1c, d. In het Co 2p-spectrum kunnen de pieken bij 781,1 en 797,6 eV worden toegeschreven aan de bindingsenergieën (BE's) van Co ²⁺ 2p _3/2 en Co ²⁺ 2p _1/2 , respectievelijk [26, 36]. De pieken van 786,0 en 803,1 eV zijn twee schijnbare pieken in de satelliet. De Co 2p BE van 778,2 eV verschuift positief ten opzichte van die van metallisch Co (777,9 eV), wat suggereert dat Co in Co₂ P heeft een gedeeltelijke positieve lading (δ ⁺ ) met een kleine waarde (0 < δ < 2) [37]. Integendeel, de P 2p BE van 129,4 eV verschuift negatief van die van elementair P (130,2 eV) zodat de P een gedeeltelijke negatieve lading heeft (δ ⁻ ) in Co₂ P. De veranderingen van BE in Co- en P-element vergeleken met respectievelijk hun elementaire substantie, onthullen dat de overdrachtsrichting van elektronendichtheid in Co₂ P is van Co tot P [38]. Oppervlakkige oxidatie van Co₂ P genereert enkele geoxideerde P-soorten in het monster. Daarom worden de pieken bij 133,2 eV in het hoge BE-bereik toegewezen aan de oxiden [39].

Elektrochemische detectie van H₂ O₂ op Co₂ P/ITO-elektrode

Onderzoek naar de elektrokatalytische activiteit van Co₂ P NP's in H₂ O₂ reductie, ontwierpen we een niet-enzymatische H₂ O₂ elektrode door druppelgieten van Co₂ P NP's ophanging op een kaal ITO-oppervlak. Afbeelding 2a toont de CV-curven van kale ITO en Co₂ P/ITO in 0,1 M PBS bij pH 7,4 met en zonder 5,0 mM H₂ O₂ , respectievelijk. De streepjeslijnen geven aan dat de reactie van kale ITO op H₂ O₂ vermindering is verwaarloosbaar. Echter, de Co₂ P/ITO-elektrode vertoont een opmerkelijke reductiepiek bij − 0,5 V in aanwezigheid van H₂ O₂ , die de prominente elektrokatalytische activiteit van Co₂ . aantoont P NP's richting H₂ O₂ afname. Afbeelding 2b geeft de CV-curven van Co₂ . weer P/ITO bij verschillende scansnelheden (van 30 tot 100 mV s ⁻¹ ) met 2,5 mM H₂ O₂ . Bij het verhogen van de scansnelheid nam de reductiepiekstroom toe en verschoof het piekpotentiaal naar de meer negatieve potentiaalzijde, wat wijst op de reductie in H₂ O₂ op Co₂ P/ITO was een onomkeerbare reactie. De corresponderende kalibratiecurve (inzet, Fig. 2b) laat zien dat de reductiepiekstroomdichtheden lineair toenemen met de scansnelheid, wat suggereert dat de elektrochemische reductie van H₂ O₂ op het oppervlak van Co₂ P/ITO-elektrode is een oppervlaktegestuurd proces [40].

een CV-curven van kale ITO en Co₂ P/ITO-elektrode in 0,1 M PBS met en zonder 5,0 mM H₂ O₂ met een scansnelheid van 100 mV s ⁻¹ . b CV-curven van Co₂ P/ITO-elektrode in 2,5 mM H₂ O₂ bij scansnelheden van 30 tot 100 mV s ⁻¹ . Inzet:De overeenkomstige grafiek van stroom versus de scansnelheid. c Amperometrische reacties van Co₂ P/ITO-elektrode met opeenvolgende toevoeging van H₂ O₂ in 0,1 M PBS. d De kalibratiecurve van constante stroom versus de concentratie van H₂ O₂

Afbeelding 2c, d toont de amperometrische respons en de kalibratiecurve van Co₂ P/ITO-elektrode na de opeenvolgende toevoeging van H₂ O₂ onder roeren in de 0,1 M PBS bij − 0,5 V. De Co₂ P/ITO-elektrode vertoonde een snelle reactie op de toevoeging van H₂ O₂ en bereikte de stationaire stroom binnen 5 s. De kalibratiecurve in Fig. 2d laat zien dat de transducer een multilineair bereik van H₂ weergeeft O₂ concentratie van 0,001 tot 1,0 mM, 1,0-5,0 mM en 5,0-10,0 mM. De gevoeligheid van de sensor verandert met de toenemende concentratie van H₂ O₂ , als gevolg van de verandering van de elektrokatalytische reductiekinetiek van H₂ O₂ op het elektrodeoppervlak. Volgens eerdere rapporten is de snelheidsbepalende stap van H₂ O₂ reductie wordt gedomineerd door H₂ O₂ adsorptie bij lage concentratie, terwijl de activering van H₂ O₂ is de belangrijkste determinant bij hoge concentraties. In het middelste gebied is de reductiekinetiek van H₂ O₂ wordt gecontroleerd door adsorptie en activering tegelijkertijd [10]. Een groot aantal analisten zal adsorberen op het oppervlak van Co₂ P en bedek de actieve plaatsen in de hoge concentratie, wat leidt tot een afname van de gevoeligheid [41].

De vergelijking op H₂ O₂ uitvoeringen van de voorbereide Co₂ . waarnemen P-monster bij verschillende reactietemperaturen en -tijden wordt getoond in aanvullend bestand 1:Fig. S4, S5 en Tabel S1, wat aangeeft dat de Co₂ P-monster bereid bij 200 °C gedurende 12 uur geeft de beste H₂ . weer O₂ optredens voelen. Toen de reactietemperatuur tot 240 °C steeg, vormde de gevormde Co(PO₃ )₂ in Co₂ P zou als onzuiverheid kunnen worden beschouwd. Om de invloed van Co(PO₃ .) verder te verduidelijken )₂ op H₂ O₂ detectie, de elektrochemische eigenschappen van Co(PO₃ )₂ werd onderzocht. Zoals getoond in Aanvullend bestand 1:Fig. S6, Co(PO₃ )₂ vertoont een verwaarloosbare elektrochemische respons op H₂ O₂ en zijn geleidbaarheid is inferieur aan Co₂ P, die het huidige signaal van Co₂ . afwijst P/ITO in amperometrische test. Daarom is de hogere zuiverheid en betere kristalliniteit van Co₂ P-sample kan bijdragen aan de verbetering van de waarnemingsprestaties. Daarom kiezen we voor de Co₂ P-monster bereid bij 200 °C en 12 uur als de beste H₂ O₂ tast materiaal. De kalibratie I –t curve vertoont ook een goede lineaire relatie in de concentratie van 1,0-50 μM, het fysiologische bereik van H₂ O₂ concentratie in het biosysteem (Fig. S7) [28], wat nuttig zou kunnen zijn om de mogelijkheid van praktische toepassingen van deze sensor te verbeteren. Bovendien is de detectielimiet (LOD) van de H₂ O₂ sensor kan worden berekend als 0,65 μM bij een signaal-ruisverhouding van 3. Vergeleken met de eerder gerapporteerde H₂ O₂ sensor, de uitgebreide elektrochemische prestaties van onze Co₂ P/ITO-transducers zijn superieur aan die met een gunstige gevoeligheid, lineair bereik en LOD, zoals weergegeven in tabel 1.

Na detectie van 1,0 mM H₂ O₂ herhaaldelijk 35 keer (Fig. 3a, b), de XPS-spectra in Co 2p en P 2p regio van Co₂ P worden geanalyseerd om het detectiemechanisme verder te onderzoeken. Er is geen significante verandering in de positie van de pieken in P 2p regio voor en na H₂ O₂ detectie. De pieken bij 778,2 en 793,0 eV in Co 2p spectrum verdween na meerdere metingen. Aangezien de piek van 778,2 eV het bestaan ​​aangeeft van gereduceerde Co-soorten in Co₂ P-monster [37], het verdwijnen van deze twee pieken toont aan dat de gereduceerde Co-soort met een lage valentie in Co₂ P kan worden geoxideerd door H₂ O₂ tijdens het detectieproces, vooral bij hoge concentraties H₂ O₂ . De restpieken in Co 2p regio (782.1 en 798.3 eV) worden toegeschreven aan Co ²⁺ 2p _3/2 en Co ²⁺ 2p _1/2 , wat het exclusieve bestaan ​​van Co(II)-soorten in Co₂ . suggereert P na meerdere metingen. Volgens eerdere rapporten over het gebruik van op kobalt gebaseerde elektrokatalysatoren in H₂ O₂ detectie, Co ²⁺ soorten zijn aangetoond als de katalytische actieve plaatsen voor H₂ O₂ vermindering [46,47,48]. Over het algemeen is de elektrochemische reductie in H₂ O₂ doorloopt twee stappen in PBS [49, 50], zoals hieronder weergegeven.

De vergelijking van XPS-spectra in a Co 2p regio en b P 2p regio van Co₂ P voor en na detectie

In de eerste stap, H₂ O₂ verkrijgt een elektron om geadsorbeerd OH te vormen ⁻ (OH_advertentie ). Wanneer de tussenliggende OH_advertentie verkrijgt een extra elektron, het uiteindelijke reductieproduct van H₂ O₂ , H₂ O, wordt gegenereerd. Als de redoxpotentiaal van H₂ O₂ /H₂ O is hoger dan Co ³⁺ /Co ²⁺ , de Co(II)-soort in Co₂ P kan worden geoxideerd tot Co(III) in het elektronenoverdrachtproces en H₂ O₂ wordt teruggebracht tot H₂ O onomkeerbaar. Tijdens de amperometrische test is de toegepaste bias − 0,5 V versus Ag/AgCl (gelijk aan 0,14 V versus . NHE), die lager is dan het standaard redoxpotentieel van Co ³⁺ /Co ²⁺ . Hierdoor kan het geoxideerde Co(III) gereduceerd worden tot Co(II) en worden deze katalytisch actieve plaatsen van Co(II) weer geregenereerd. Daarom kan worden geconcludeerd dat de katalytische cyclus van Co (II) soorten plaatsvindt tijdens elektrochemische detectie van H₂ O₂ en de gereduceerde Co-soorten met lage valentie worden geoxideerd door H₂ O₂ na herhaalde metingen.

Selectiviteit, stabiliteit, reproduceerbaarheid en herhaalbaarheid van Co₂ P/ITO-elektrode

Anti-interferentieprestaties zijn een andere belangrijke eigenschap van biosensor. Stikstof met een hoge zuiverheid werd gebruikt om de invloed van opgeloste zuurstof in oplossing te vermijden, omdat zuurstof kon worden gereduceerd bij een vergelijkbaar potentiaal dat werd toegepast in de amperometrische test [51]. Vergelijking van de CV-curven van Co₂ P/ITO in 0,1 M PBS met of zonder stikstofspoeling, het reductiepotentieel en de huidige respons van 2,5 mM H₂ O₂ zijn vergelijkbaar, zoals weergegeven in Fig. S8, wat daarom suggereert dat de interferentie van opgeloste zuurstof kan worden verwaarloosd. Selectiviteit van Co₂ P/ITO is ook getest met veelvoorkomende stoffen en andere kleine moleculen in lichaamsvloeistof, zoals sommige anorganische zouten, sacchariden, aminozuren en reductieve biomoleculen. Zoals getoond in Fig. 4a, kan de huidige respons na toevoeging van de bovenstaande interferenten worden verwaarloosd in vergelijking met de respons van 1,0 mM H₂ O₂ . Als beide twee O-atomen van H₂ O₂ kan worden gebonden met een of twee Co-atomen [52], de H₂ O₂ molecuul zou chemisch adsorberen op Co(II)-soorten in Co₂ P specifiek. Bovendien kan de interferentie van willekeurige oxidatie van sommige reductieve verbindingen in echte biologische monsters met een hoog potentieel ook aanzienlijk worden verminderd bij een lager biaspotentiaal [53]. Daarom is de gunstige selectiviteit van Co₂ P richting H₂ O₂ profiteert voornamelijk van de Co(II)-soort als specifieke adsorptieplaatsen en het toegepaste negatieve biaspotentieel tijdens het detectieproces.

een Amperometrische reacties van Co₂ P/ITO-elektrode met toevoeging van 1 mM H₂ O₂ en andere interfererende soorten (10 mM NaCl, KCl, Glu, Fru, ureum, L-Gly, L-Arg, L-Lys, AA; 1 mM DA, UA; 0,5 mM APAP) in 0,1 M PBS. b De kathodische piekstromen van tien opeenvolgende scanning-CV-curven in 50 μM H₂ O₂ . c Reproduceerbaarheid van zes Co₂ P/ITO-elektroden voor detectie van 1,0 mM H₂ O₂ . d Herhaalbaarheid van Co₂ P/ITO-elektrode voor detectie van 1,0 mM H₂ O₂ acht keer

Bovendien is de stabiliteit, reproduceerbaarheid en herhaalbaarheid van de Co₂ P/ITO-transducers werden ook geëvalueerd. De reductiepiekstromen van tien opeenvolgende scanning-CV-curven in 50 μM H₂ O₂ wordt getoond in Fig. 4b. Na tien cycli daalde de piekstroom van de elektrode slechts met 2,7%. Bovendien bleef de sensor ongeveer 98,2% van zijn aanvankelijke huidige respons na een maand in de lucht te hebben gestaan ​​(Fig. S9), wat een ideale detectiestabiliteit en uitstekende duurzaamheid op lange termijn aantoont. De reproduceerbaarheid van elektrode tot elektrode wordt onderzocht door de relatieve standaarddeviatie (RSD) van H₂ te berekenen O₂ huidige reacties. Om de potentiële fout van de fabricage van de elektroden zo veel mogelijk te elimineren, moet de constante stroomdichtheid in aanwezigheid van H₂ O₂ wordt afgetrokken van het initiële achtergrondsignaal van de individuele elektrode en de verkregen verschilwaarde wordt beschouwd als de elektrochemische respons van elke elektrode. Zes Co₂ P/ITO-elektroden werden onder dezelfde omstandigheden vervaardigd voor gecontroleerde experimenten en de RSD van stroomresponsen was 1,24%, zoals weergegeven in figuur 4c, wat de relatief uitstekende reproduceerbaarheid van Co₂ aangeeft. P/ITO. Ondertussen werd de herhaalbaarheid gemeten in één elektrode door 1,0 mM H₂ . te detecteren O₂ acht keer, en de RSD van 1,14% werd bereikt (figuur 4d). De bovenstaande resultaten illustreren de bevredigende stabiliteit, reproduceerbaarheid en herhaalbaarheid van de elektrode voor niet-enzymatische elektrochemische detectie van H₂ O₂ .