Fosfuro de cobalto (Co2P) con notable actividad electrocatalítica diseñado para el bioanálisis sensible y selectivo sin enzimas de peróxido de hidrógeno

Resultados y discusión

Caracterización de Co ₂ P NP

La estructura cristalina de Co ₂ Los NP de P se confirmaron mediante la medición de XRD. La Figura 1a muestra los patrones XRD de Co ₂ Muestras P preparadas a 160, 200 y 240 ° C durante 12 h. El Co ₂ La muestra P preparada a 200 ° C muestra picos de difracción alrededor de 40,7 °, 40,9 °, 52,0 ° y 56,2 ° que corresponden a los planos de difracción característicos en (121), (201), (002) y (320) para la fase ortorrómbica. de Co ₂ P (JCPDS no. 32-0306). Cuando la temperatura varió de 160 a 200 ° C, las intensidades de los picos de difracción aumentaron y los picos se volvieron más estrechos y nítidos, lo que indica que los productos tenían una mayor cristalinidad a 200 ° C. Sin embargo, cuando la temperatura alcanzó los 240 ° C, se formaron algunas impurezas y los picos de difracción a 29,7 ° se atribuyeron al plano de difracción en (-222) de Co (PO ₃ ) ₂ (JCPDS no. 27-1120). La influencia del tiempo sintético en la preparación de Co ₂ P por debajo de 200 ° C se muestra en el archivo adicional 1:Fig. S1. Cuando la duración del tiempo se controló dentro de las 12 h, el Co ₂ obtenido Los P NP mostraron el valor más bajo de ancho completo a la mitad del máximo de (121) pico, lo que sugiere una mejor cristalinidad. Además, no existía ninguna impureza en la muestra cuando el tiempo de reacción variaba de 6 a 24 h. Según la fórmula de Scherrer, el tamaño de grano calculado de Co ₂ P NP preparadas a 200 ° C durante 12 h fue de 14,2 nm.

un Patrones XRD de Co ₂ P NP preparadas a diferentes temperaturas durante 12 h. b Imagen microscópica electrónica de transmisión e imagen microscópica electrónica de transmisión de alta resolución (recuadro) de Co ₂ P NP. Espectros XPS de Co ₂ P en la c Co 2 p región y d P 2 p región

La morfología de Co ₂ Los P NP se evaluaron mediante mediciones de TEM. Como se muestra en la Fig.1b, el producto preparado a 200 ° C está compuesto por nanopartículas irregulares con un diámetro de alrededor de 10-20 nm y dos franjas de celosía pueden verse claramente en la imagen TEM de alta resolución (HRTEM) (inserto en la Fig. 1b). La distancia entre los planos vecinos es de 0,22 nm, correspondiente a las (121) facetas de Co ₂ P, que además confirma que la formación de TMP es Co ₂ P.

Se empleó la técnica XPS para analizar las composiciones químicas en la superficie del Co ₂ P. Archivo adicional 1:La Fig. S2 muestra el espectro de levantamiento XPS de Co ₂ Se detectan elementos P. Co, P y O en la muestra, lo que confirma la existencia de Co ₂ P y algunos productos oxidados. Espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDX) de Co ₂ P (archivo adicional 1:Fig. S3) confirma además la coexistencia de tres elementos (Co, P, O) en la muestra. Los espectros XPS de alta resolución de Co 2p y P 2p se muestran en la Fig. 1c, d, respectivamente. En el espectro de Co 2p, los picos en 781,1 y 797,6 eV se pueden atribuir a las energías de enlace (BE) de Co ²⁺ 2 p _3/2 y Co ²⁺ 2 p _1/2 , respectivamente [26, 36]. Los picos de 786,0 y 803,1 eV son dos picos de satélite aparentes con sacudidas. El Co 2p BE de 778,2 eV cambia positivamente del Co metálico (777,9 eV), lo que sugiere que el Co en Co ₂ P tiene una carga positiva parcial ( δ ⁺ ) con un valor pequeño (0 < δ <2) [37]. Por el contrario, el P 2 p BE de 129,4 eV se desplaza negativamente desde el del P elemental (130,2 eV) de modo que el P tiene una carga negativa parcial ( δ ^- ) en Co ₂ P. Los cambios de BE en el elemento Co y P en comparación con su sustancia elemental, respectivamente, revelan que la dirección de transferencia de la densidad electrónica en Co ₂ P es de Co a P [38]. Oxidación superficial de Co ₂ P genera algunas especies de P oxidadas en la muestra. Por lo tanto, los picos a 133,2 eV en el rango de BE alto se asignan a los óxidos [39].

Detección electroquímica de H ₂ O ₂ en Co ₂ Electrodo P / ITO

Para investigar la actividad electrocatalítica de Co ₂ P NP en H ₂ O ₂ reducción, diseñamos un H ₂ no enzimático O ₂ electrodo mediante colada gota a gota Co ₂ Suspensión P NPs sobre una superficie ITO desnuda. La Figura 2a muestra las curvas CV de ITO desnudo y Co ₂ P / ITO en PBS 0,1 M a pH 7,4 con y sin H ₂ 5,0 mM O ₂ , respectivamente. Las líneas discontinuas indican que la respuesta de ITO simple a H ₂ O ₂ la reducción es insignificante. Sin embargo, el Co ₂ El electrodo P / ITO exhibe un pico de reducción notable a - 0.5 V en presencia de H ₂ O ₂ , que demuestra la destacada actividad electrocatalítica del Co ₂ P NP hacia H ₂ O ₂ reducción. La Figura 2b presenta las curvas CV de Co ₂ P / ITO a diferentes velocidades de escaneo (de 30 a 100 mV s ⁻¹ ) con 2,5 mM H ₂ O ₂ . Al aumentar la velocidad de exploración, la corriente máxima de reducción aumentó y el potencial máximo se desplazó hacia el lado del potencial más negativo, lo que indica la reducción en H ₂ O ₂ en Co ₂ P / ITO fue una reacción irreversible. La curva de calibración correspondiente (recuadro, Fig. 2b) muestra que las densidades de corriente de pico de reducción aumentan linealmente proporcionalmente a la velocidad de exploración, lo que sugiere que la reducción electroquímica de H ₂ O ₂ en la superficie de Co ₂ El electrodo P / ITO es un proceso de superficie controlada [40].

un Curvas CV de ITO desnudo y Co ₂ Electrodo P / ITO en PBS 0,1 M con y sin 5,0 mM H ₂ O ₂ a una velocidad de exploración de 100 mV s ⁻¹ . b Curvas CV de Co ₂ Electrodo P / ITO en 2,5 mM H ₂ O ₂ a velocidades de escaneo de 30 a 100 mV s ⁻¹ . Recuadro:el gráfico correspondiente de la corriente frente a la velocidad de exploración. c Respuestas amperométricas de Co ₂ Electrodo P / ITO con adición sucesiva de H ₂ O ₂ en PBS 0,1 M. d La curva de calibración de corriente estable frente a la concentración de H ₂ O ₂

Las figuras 2c, d muestran la respuesta amperométrica y la curva de calibración de Co ₂ Electrodo P / ITO tras la sucesiva adición de H ₂ O ₂ en el PBS 0,1 M a - 0,5 V con agitación. El Co ₂ El electrodo P / ITO mostró una respuesta rápida a la adición de H ₂ O ₂ y alcanzó la corriente de estado estable en 5 s. La curva de calibración en la Fig. 2d muestra que el transductor muestra un rango multilineal de H ₂ O ₂ concentración de 0,001 a 1,0 mM, 1,0–5,0 mM y 5,0–10,0 mM. La sensibilidad del sensor cambia con la concentración creciente de H ₂ O ₂ , debido al cambio de la cinética de reducción electrocatalítica de H ₂ O ₂ en la superficie del electrodo. Según informes anteriores, el paso de determinación de la tasa de H ₂ O ₂ la reducción está dominada por H ₂ O ₂ adsorción a baja concentración, mientras que la activación de H ₂ O ₂ es el principal determinante a alta concentración. En la región media, la cinética de reducción de H ₂ O ₂ se controla mediante adsorción y activación al mismo tiempo [10]. Una multitud de analistas se adsorberá en la superficie de Co ₂ P y cubren los sitios activos en la concentración alta, lo que conduce a la disminución de la sensibilidad [41].

La comparación en H ₂ O ₂ rendimiento de detección del Co ₂ preparado La muestra P a varias temperaturas y tiempos de reacción se muestra en el archivo adicional 1:Fig. S4, S5 y Tabla S1, lo que indica que el Co ₂ La muestra P preparada a 200 ° C durante 12 h muestra la mejor H ₂ O ₂ actuaciones de detección. Cuando la temperatura de reacción se elevó a 240 ° C, el Co (PO ₃ ) ₂ en Co ₂ P podría considerarse una impureza. Para aclarar aún más la influencia de Co (PO ₃ ) ₂ en H ₂ O ₂ detección, las propiedades electroquímicas del Co (PO ₃ ) ₂ fue investigado. Como se muestra en el archivo adicional 1:Fig. S6, Co (PO ₃ ) ₂ muestra una respuesta electroquímica insignificante hacia H ₂ O ₂ y su conductividad es inferior al Co ₂ P, que disminuye la señal actual de Co ₂ P / ITO en prueba amperométrica. Por lo tanto, la mayor pureza y mejor cristalinidad del Co ₂ La muestra P puede contribuir a la mejora de las funciones de detección. Por lo tanto, elegimos el Co ₂ Muestra P preparada a 200 ° C y 12 h como la mejor H ₂ O ₂ material de detección. La calibración I - t La curva también presenta una buena relación lineal en la concentración de 1.0 a 50 μM, el rango fisiológico de H ₂ O ₂ concentración en el biosistema (Fig. S7) [28], lo que podría ser útil para mejorar la posibilidad de aplicaciones prácticas de este sensor. Además, el límite de detección (LOD) del H ₂ O ₂ El sensor se puede calcular en 0,65 μM con una relación señal / ruido de 3. En comparación con el H ₂ informado anteriormente O ₂ sensor, el completo rendimiento electroquímico de nuestro Co ₂ Los transductores P / ITO son superiores a aquellos con sensibilidad, rango lineal y LOD favorables, como se muestra en la Tabla 1.

Después de detectar 1.0 mM H ₂ O ₂ repetidamente durante 35 veces (Fig. 3a, b), los espectros XPS en Co 2 p y P 2 p región de Co ₂ P se analizan para investigar más a fondo el mecanismo de detección. No hay ningún cambio significativo en la posición de los picos en P 2 p región antes y después de H ₂ O ₂ detección. Sin embargo, los picos en 778.2 y 793.0 eV en Co 2 p El espectro desapareció después de múltiples mediciones. Dado que el pico a 778,2 eV indica la existencia de especies de Co reducidas en Co ₂ Muestra P [37], la desaparición de estos dos picos demuestra que las especies de Co reducidas con baja valencia en Co ₂ P puede ser oxidado por H ₂ O ₂ durante el proceso de detección, especialmente con alta concentración de H ₂ O ₂ . Los picos remanentes en Co 2 p región (782.1 y 798.3 eV) se atribuyen a Co ²⁺ 2 p _3/2 y Co ²⁺ 2 p _1/2 , respectivamente, lo que sugiere la existencia exclusiva de especies de Co (II) en Co ₂ P después de múltiples mediciones. Según informes anteriores sobre la utilización de electrocatalizador a base de cobalto en H ₂ O ₂ detección, Co ²⁺ Las especies se demuestran como sitios catalíticos activos para H ₂ O ₂ reducción [46,47,48]. Generalmente, la reducción electroquímica en H ₂ O ₂ pasa por dos pasos en PBS [49, 50], como se muestra a continuación.

La comparación de espectros XPS en a Co 2 p región y b P 2 p región de Co ₂ P antes y después de la detección

En el primer paso, H ₂ O ₂ obtiene un electrón para formar OH adsorbido ^- (OH _anuncio ). Cuando el intermedio OH _ad obtiene un electrón adicional, el producto de reducción final de H ₂ O ₂ , H ₂ O, se genera. Como el potencial redox de H ₂ O ₂ / H ₂ O es mayor que Co ³⁺ / Co ²⁺ , la especie Co (II) en Co ₂ P se puede oxidar a Co (III) en el proceso de transferencia de electrones y H ₂ O ₂ se reduce a H ₂ O irreversiblemente. Durante la prueba amperométrica, el sesgo aplicado es - 0,5 V frente a Ag / AgCl (equivale a 0,14 V frente a . NHE), que es más bajo que el potencial redox estándar de Co ³⁺ / Co ²⁺ . Como resultado, el Co (III) oxidado se puede reducir a Co (II) y estos sitios catalíticos activos de Co (II) se regeneran nuevamente. Por lo tanto, se puede concluir que el ciclo catalítico de la especie Co (II) tiene lugar durante la detección electroquímica de H ₂ O ₂ y las especies de Co reducidas con baja valencia son oxidadas por H ₂ O ₂ después de mediciones repetitivas.

Selectividad, estabilidad, reproducibilidad y repetibilidad de Co ₂ Electrodo P / ITO

El rendimiento antiinterferente es otra propiedad importante del biosensor. Se utilizó nitrógeno de alta pureza para evitar la influencia del oxígeno disuelto en la solución porque el oxígeno podría reducirse a un potencial similar al que se aplicó en la prueba amperométrica [51]. Comparando las curvas CV de Co ₂ P / ITO en PBS 0,1 M con o sin purga de nitrógeno, el potencial de reducción y la respuesta actual de H ₂ 2,5 mM O ₂ son similares, como se muestra en la Fig. S8, lo que por lo tanto sugiere que la interferencia del oxígeno disuelto puede despreciarse. Selectividad de Co ₂ P / ITO también se probó con sustancias comunes y otras moléculas pequeñas en los fluidos corporales, como algunas sales inorgánicas, sacáridos, aminoácidos y biomoléculas reductoras. Como se muestra en la Fig. 4a, la respuesta actual después de agregar los interferentes anteriores puede despreciarse en comparación con la respuesta de 1.0 mM H ₂ O ₂ . Como dos átomos de O de H ₂ O ₂ podría estar unido con uno o dos átomos de Co [52], el H ₂ O ₂ molécula se adsorbería químicamente en especies de Co (II) en Co ₂ P específicamente. Además, la interferencia de la oxidación indiscriminada de algunos compuestos reductores en muestras biológicas reales de alto potencial también puede reducirse significativamente con un potencial de sesgo más bajo [53]. Por tanto, la selectividad favorable del Co ₂ P hacia H ₂ O ₂ se beneficia principalmente de las especies Co (II) como sitios de adsorción específicos y el potencial de sesgo negativo aplicado durante el proceso de detección.

un Respuestas amperométricas de Co ₂ Electrodo P / ITO con la adición de 1 mM H ₂ O ₂ y otras especies interferentes (NaCl 10 mM, KCl, Glu, Fru, urea, L-Gly, L-Arg, L-Lys, AA; DA 1 mM, UA; APAP 0,5 mM) en PBS 0,1 M. b Las corrientes pico catódicas de diez curvas CV de barrido sucesivas en 50 μM H ₂ O ₂ . c Reproducibilidad de seis Co ₂ Electrodos P / ITO para detectar 1.0 mM H ₂ O ₂ . d Repetibilidad de Co ₂ Electrodo P / ITO para detectar 1,0 mM H ₂ O ₂ ocho veces

Además, la estabilidad, reproducibilidad y repetibilidad del Co ₂ También se evaluó el transductor P / ITO. La reducción de las corrientes máximas de diez curvas CV de barrido sucesivas en 50 μM H ₂ O ₂ se muestra en la Fig. 4b. Después de diez ciclos, la corriente máxima del electrodo solo cayó un 2,7%. Además, el sensor mantuvo aproximadamente el 98,2% de su respuesta de corriente inicial después de haber estado almacenado en el aire durante un mes (Fig. S9), lo que demuestra una estabilidad de detección ideal y una durabilidad excepcional a largo plazo. La reproducibilidad electrodo a electrodo se investiga calculando la desviación estándar relativa (RSD) de H ₂ O ₂ respuestas actuales. Para eliminar el error potencial de la fabricación del electrodo en la medida de lo posible, la densidad de corriente constante en presencia de H ₂ O ₂ se resta por la señal de fondo inicial del electrodo individual y el valor de diferencia obtenido se considera como la respuesta electroquímica de cada electrodo. Six Co ₂ Los electrodos de P / ITO se fabricaron en las mismas condiciones para experimentos controlados y la RSD de las respuestas de corriente fue de 1,24%, como se muestra en la Fig. 4c, lo que indica la reproducibilidad relativamente excelente de Co ₂ P / ITO. Mientras tanto, se midió la repetibilidad en un electrodo detectando H ₂ 1.0 mM O ₂ ocho veces y se logró la RSD del 1,14% (Fig. 4d). Los resultados anteriores ilustran la estabilidad, reproducibilidad y repetibilidad satisfactorias del electrodo para la detección electroquímica no enzimática de H ₂ O ₂ .