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Nanopartículas de Fosfuro de Cobalto: Un Electrocatalizador Robusto para Detección Sensible y Enzimática de Peróxido de Hidrógeno

Resumen

En este trabajo, nanopartículas de fosfuro de cobalto (Co2P NPs) se prepararon mediante un método hidrotérmico simple y suave sin usar fuente de fósforo dañina. La estructura morfológica y componente superficial de Co2P se caracterizaron mediante microscopía electrónica de transmisión, difracción de rayos X y espectroscopía fotoelectrónica de rayos X. Considerando la excelente actividad electrocatalítica de reducción y buena conductividad eléctrica del fosfuro de metal de transición, fabricamos Co2P NPs en sustrato de óxido de indio y estaño (ITO) (Co2P/ITO) para detección de H2O2. El transductor Co2P/ITO mostró una respuesta amperométrica rápida menor a 5 s, un rango de respuesta más amplio de 0,001 a 10,0 mM y un límite de detección bajo de 0,65 μM. Además, el sensor Co2P/ITO no enzimático mostró selectividad, reproducibilidad, repetibilidad y estabilidad sobresalientes, lo que califica al electrodo Co2P/ITO como un biosensor bastante confiable y prometedor para detección de H2O2.

Introducción

El peróxido de hidrógeno (H2O2) es una especie reactiva de oxígeno representativa en organismos vivos, y juega un papel crítico en la función fisiológica normal [1]. La concentración de H2O2 en células vivas está estrechamente relacionada con el equilibrio fisiológico celular [2]. Numerosos estudios también han reportado que cáncer, enfermedades de Alzheimer, Parkinson y algunas enfermedades graves pueden ser causadas por concentración anormal de H2O2 [3,4,5]. Desarrollar métodos precisos, sensibles, rápidos y selectivos para detectar la concentración de H2O2, un biomarcador normal de estrés oxidativo, será indudablemente beneficioso para el diagnóstico temprano. Hasta ahora, una gran cantidad de métodos analíticos como espectroscopía [6], colorimetría [7], fluorescencia [8, 9] y métodos electroquímicos [10,11,12] se han aplicado en determinación de H2O2. El método electroquímico, especialmente la prueba amperométrica, se está convirtiendo gradualmente en uno de los métodos de detección más simples y efectivos para análisis biológico de H2O2 entre diversos métodos de detección debido a sus ventajas como alta sensibilidad, selectividad sobresaliente y bajo costo.

Los sensores electroquímicos enzimáticos han demostrado ser instrumentos efectivos para detectar H2O2. Sin embargo, la aplicación práctica a gran escala de sensores basados en enzimas está limitada por inmovilización complicada, inestabilidad ambiental y baja reproducibilidad. Por tanto, desarrollar sensores electroquímicos no enzimáticos de H2O2 es altamente indispensable.

En años recientes, un número creciente de sensores basados en metales nobles [13,14,15], metales no nobles y sus compuestos correspondientes [16,17,18,19] o materiales de carbono [20, 21] se han usado para detección electroquímica de H2O2. Como materiales electroquímicamente activos para fabricar biosensores no enzimáticos, los compuestos de metales de transición han recibido intereses crecientes. Los fosfuros de metales de transición (TMPs) son una clase de materiales recién desarrollados con excelente actividad electrocatalítica, buena conductividad eléctrica y muchas propiedades sobresalientes. Por tanto, se han estudiado extensivamente para aplicaciones en división de agua [22, 23], hidrodesulfuración [24], y electrodos de supercondensadores [25]. Investigaciones recientes indican que CoP, Ni2P y Cu3P [26,27,28] también pueden usarse como electrocatalizadores eficientes para detección no enzimática de H2O2. Sin embargo, el número de investigaciones sobre aplicación de TMPs en bioanálisis sigue siendo limitado hoy en día. Además, el uso de trifenilfosfina [29, 30], fósforo blanco [31, 32] u otras fuentes de fósforo peligrosas para el medio ambiente [33] puede aumentar el riesgo operacional en la preparación de TMPs. Por tanto, algunos trabajos de investigación para desarrollar métodos verdes en preparación de TMPs vale la pena complementar en esta área.

En este trabajo, nanopartículas de fosfuro de cobalto (Co2P NPs) se prepararon mediante método hidrotérmico de un paso utilizando acetato de cobalto y fósforo rojo como materias primas. Aquí, fabricamos Co2P NPs en sustrato de óxido de indio y estaño (ITO) por método de gota para detección de H2O2. Co2P mostró excelente actividad electrocatalítica hacia reducción de H2O2. Además, reveló selectividad favorable, excelente reproducibilidad y buena estabilidad, exhibiendo así su potencial aplicación como plataforma sensible para detección de H2O2.

Sección Experimental

Reactivos y Materiales

Todos los reactivos fueron grado analítico y usados sin purificación adicional. Acetato de cobalto (II) tetrahidratado (Co(Ac)2·4H2O), cloruro de cobalto hexahidratado (CoCl2·6H2O), D-(+)-glucosa, L-Glicina (L-Gly), ácido ascórbico (AA), ácido úrico (UA), urea, NaCl, KCl, NaH2PO4, Na2HPO4, peróxido de hidrógeno (30% H2O2), etanol y acetona se compraron de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. China. D-(–)-fructosa, L-arginina (L-Arg), L-lisina (L-Lys), dopamina (DA), paracetamol (APAP), ácido aminotrimetileno fosfónico (ATMP, 50% p/p) se compraron de Aladdin Ltd. Fósforo rojo comercial (98,5%, 100 malla) se compró de Energy Chemical Technology (Shanghai) Co., Ltd. Dispersión de polímero Nafion PFSA (5%) se compró de Beijing Honghaitian technology Co., Ltd. Agua desionizada se usó en todos los experimentos. El vidrio de óxido de indio y estaño (ITO) (10 × 20 × 1,1 mm con película ITO de 185 ± 2 nm y resistencia superficial de 6,6 ± 0,1 Ω) fue suministrado por Shenzhen South Xiangcheng Technology Co., Ltd.

Síntesis de Nanopartículas Co2P

Fósforo rojo comercial (2 g) se dispersó en 15 mL H2O bajo sonificación e hidrotérmicamente tratado a 200 °C por 12 h en un autoclave de acero inoxidable de 50 mL con revestimiento de Teflón para limpiar capas de óxido [34]. Luego, el fósforo rojo tratado hidrotérmicamente se secó en horno de vacío. Tras finalizar el pretratamiento del fósforo rojo, 1 mmol Co(Ac)2·4H2O se disolvió en 30 mL agua destilada para obtener solución acuosa. Luego, el fósforo rojo tratado hidrotérmicamente se añadió a la solución bajo ultrasonicación por 15 min con relación molar Co/P 1/10. La suspensión preparada se vertió rápidamente en un autoclave de 50 mL con revestimiento de Teflón. Luego, el autoclave se colocó en horno electrónico e hidrotérmicamente tratado a 160, 200, 240 °C por 12 h, respectivamente. Luego, el producto se recogió por centrifugación y lavó tres veces con agua destilada y etanol, respectivamente. Finalmente, Co2P NPs se secaron a 60 °C por 3 h en aire.

Síntesis de Co(PO3)2

El método de preparación de Co(PO3)2 se refirió a reporte previo [35]. Se preparó primero solución de metanol 0,1 M CoCl2·6H2O. Luego, 2 mL ATMP (50 % p/p) se añadieron gota a gota en 20 mL la solución púrpura anterior y se agitó por 30 min. El polímero de coordinación insoluble de cobalto-metafosfato se formó en la solución subsiguientemente. El polvo rosa obtenido se calentóさらに a 900 °C bajo flujo de Ar con velocidad de calentamiento de 5 °C·min−1 y luego se mantuvo por 2 h. Tras enfriar a temperatura ambiente, el producto negro se recogió y recalentó a 650 °C por 4 h en aire para eliminar ligando orgánico carbonizado. Finalmente, se obtuvo polvo púrpura claro de Co(PO3)2.

Fabricación de Electrodo Co2P/ITO

Primero, el vidrio ITO (1 cm × 2 cm) se limpió en acetona, etanol y agua desionizada por 10 min, respectivamente, por sonicación. Después, el ITO tratado se secó bajo barrido de nitrógeno. Para modificación del electrodo, 5 mg de Co2P NPs se dispersaron en 1 mL agua desionizada para formar suspensión Co2P de 5 mg mL−1. Luego, 5 μL solución Nafion 5% se añadieron a la suspensión y la mezcla se ultrasonificó por 15 min para obtener suspensión uniforme tipo tinta. El electrodo Co2P/ITO se preparó depositando 100 μL de suspensión Co2P en la superficie ITO, y secando en aire como electrodo de trabajo. El proceso esquemático de preparación del electrodo Co2P/ITO se muestra en Esquema 1.

Nanopartículas de Fosfuro de Cobalto: Un Electrocatalizador Robusto para Detección Sensible y Enzimática de Peróxido de Hidrógeno
Preparación esquemática del electrodo Co2P/ITO y detección de H2O2

Caracterizaciones

Los datos de difracción de rayos X (XRD) se analizaron con un difractómetro D8 ADVANCE con radiación Cu Kα. La medición de microscopía electrónica de transmisión (TEM) se realizó usando un Tecnai G2 F20 con detector de espectro de energía dispersa. Los espectros de espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) se midieron en un espectrómetro Thermo ESCALAB 250XI.

Mediciones Electroquímicas

Las mediciones voltamétricas se realizaron con estación de trabajo electroquímica CHI 660E en sistema de tres electrodos, empleando electrodo Co2P/ITO como electrodo de trabajo, lámina de platino (1 cm × 1 cm) como contraelectrodo y Ag/AgCl con solución KCl 3 M como electrodo de referencia para estudiar actividades electroquímicas de muestras sintetizadas para detección de H2O2. Solución salina fosfatada (PBS; 0,1 M, pH 7,4) se usó como electrolito para simular medio fisiológico en cuerpo humano. Los rendimientos de detección del electrodo Co2P/ITO hacia H2O2 se investigaron por voltametría cíclica (CV) y amperometría (I-t). Todos los experimentos de detección se realizaron bajo agitación 100 rpm a temperatura ambiente. Pruebas de impedancia electroquímica se realizaron en estación de trabajo electroquímica VersaSTAT 3F y solución de ferricianuro se usó como electrolito para medición de impedancia.

Resultados y Discusión

Caracterización de Co2P NPs

La estructura cristalina de Co2P NPs se confirmó por medición XRD. La Figura 1a muestra patrones XRD de muestras Co2P preparadas a 160, 200 y 240 °C por 12 h. La muestra Co2P preparada a 200 °C muestra picos de difracción alrededor de 40,7°, 40,9°, 52,0° y 56,2° que corresponden a planos de difracción característicos en (121), (201), (002) y (320) para fase ortorrómbica de Co2P (JCPDS no. 32-0306). Cuando la temperatura varió de 160 a 200 °C, las intensidades de picos de difracción aumentaron y los picos se volvieron más estrechos y agudos, indicando que los productos tenían mayor cristalinidad a 200 °C. Sin embargo, cuando la temperatura alcanzó 240 °C, se formaron algunas impurezas y el pico de difracción a 29,7° se atribuyó al plano de difracción en (-222) de Co(PO3)2 (JCPDS no. 27-1120). La influencia del tiempo de síntesis en preparación de Co2P bajo 200 °C se muestra en Archivo adicional 1: Fig. S1. Cuando la duración del tiempo se controló dentro de 12 h, los Co2P NPs obtenidos mostraron el valor más bajo de ancho a mitad de altura del pico (121), sugiriendo mejor cristalinidad. Además, ninguna impureza existió en la muestra cuando el tiempo de reacción varió de 6 a 24 h. Según la fórmula de Scherrer, el tamaño de grano calculado de Co2P NPs preparadas a 200 °C por 12 h fue 14,2 nm.

Nanopartículas de Fosfuro de Cobalto: Un Electrocatalizador Robusto para Detección Sensible y Enzimática de Peróxido de Hidrógeno
a Patrones XRD de Co2P NPs preparadas a diferentes temperaturas por 12 h. b Imagen microscópica electrónica de transmisión y imagen de alta resolución (inset) de Co2P NPs. Espectros XPS de Co2P en región c Co 2p y d P 2p

La morfología de Co2P NPs se evaluó por mediciones TEM. Como se muestra en Fig. 1b, el producto preparado a 200 °C está compuesto de nanopartículas irregulares con diámetro alrededor de 10–20 nm y dos franjas de red se ven claramente en imagen TEM de alta resolución (HRTEM) (inset en Fig. 1b). La distancia entre planos vecinos es 0,22 nm, correspondiente a facetas (121) de Co2P, lo que confirma además que la formación de TMP es Co2P.

La técnica XPS se empleó en análisis de composiciones químicas en superficie de Co2P. Archivo adicional 1: Fig. S2 muestra espectro de barrido XPS de Co2P. Elementos Co, P y O se detectaron en la muestra, confirmando existencia de Co2P y algunos productos oxidados. Espectros de espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDX) de Co2P (Archivo adicional 1: Fig. S3) confirman además la co-existencia de tres elementos (Co, P, O) en la muestra. Los espectros XPS de alta resolución de Co 2p y P 2p se muestran en Fig. 1c, d, respectivamente. En espectro Co 2p, los picos a 781,1 y 797,6 eV se atribuyen a energías de enlace (BEs) de Co2+ 2p3/2 y Co2+ 2p1/2, respectivamente [26, 36]. Los picos a 786,0 y 803,1 eV son dos picos satélite de shake-up aparentes. El BE Co 2p de 778,2 eV se desplaza positivamente desde el de Co metálico (777,9 eV), sugiriendo que Co en Co2P tiene carga parcial positiva (δ+) con valor pequeño (0 < δ < 2) [37]. Por el contrario, el BE P 2p de 129,4 eV se desplaza negativamente desde el de P elemental (130,2 eV) de modo que P tiene carga parcial negativa (δ−) en Co2P. Los cambios de BE en elementos Co y P comparados con sus sustancias elementales, respectivamente, revelan que la dirección de transferencia de densidad electrónica en Co2P es de Co a P [38]. La oxidación superficial de Co2P genera algunas especies de P oxidado en la muestra. Por tanto, los picos a 133,2 eV en rango de BE alto se asignan a óxidos [39].

Detección Electroquímica de H2O2 en Electrodo Co2P/ITO

Para investigar la actividad electrocatalítica de Co2P NPs en reducción de H2O2, diseñamos un electrodo no enzimático de H2O2 depositando suspensión Co2P NPs en superficie ITO desnuda. La Figura 2a muestra curvas CV de ITO desnudo y Co2P/ITO en 0,1 M PBS a pH 7,4 con y sin 5,0 mM H2O2, respectivamente. Las líneas punteadas indican que la respuesta de ITO desnudo a reducción de H2O2 es despreciable. Sin embargo, el electrodo Co2P/ITO exhibe un pico de reducción notable a −0,5 V en presencia de H2O2, demostrando la prominente actividad electrocatalítica de Co2P NPs hacia reducción de H2O2. La Figura 2b presenta curvas CV de Co2P/ITO a diferentes velocidades de barrido (30 a 100 mV s−1) con 2,5 mM H2O2. Al aumentar la velocidad de barrido, la corriente de pico de reducción aumentó y el potencial de pico se desplazó al lado de potencial más negativo, indicando que la reducción de H2O2 en Co2P/ITO fue una reacción irreversible. La curva de calibración correspondiente (inset, Fig. 2b) muestra que las densidades de corriente de pico de reducción aumentan linealmente proporcionales a la velocidad de barrido, sugiriendo que la reducción electroquímica de H2O2 en superficie del electrodo Co2P/ITO es un proceso controlado por superficie [40].

Nanopartículas de Fosfuro de Cobalto: Un Electrocatalizador Robusto para Detección Sensible y Enzimática de Peróxido de Hidrógeno
a Curvas CV de ITO desnudo y electrodo Co2P/ITO en 0,1 M PBS con y sin 5,0 mM H2O2 a velocidad de barrido 100 mV s−1. b Curvas CV de electrodo Co2P/ITO en 2,5 mM H2O2 a velocidades de barrido 30 a 100 mV s−1. Inset: Gráfico correspondiente de corriente versus velocidad de barrido. c Respuestas amperométricas de electrodo Co2P/ITO con adición sucesiva de H2O2 en 0,1 M PBS. d Curva de calibración de corriente estable versus concentración de H2O2

Las Figuras 2c, d muestran la respuesta amperométrica y curva de calibración del electrodo Co2P/ITO tras adición sucesiva de H2O2 en 0,1 M PBS a −0,5 V con agitación. El electrodo Co2P/ITO exhibió respuesta rápida a la adición de H2O2 y alcanzó corriente de estado estable dentro de 5 s. La curva de calibración en Fig. 2d muestra que el transductor muestra un rango multi-lineal de concentración H2O2 de 0,001 a 1,0 mM, 1,0–5,0 mM y 5,0–10,0 mM. La sensibilidad del sensor altera con el aumento de concentración H2O2, debido al cambio de cinética de reducción electrocatalítica de H2O2 en superficie del electrodo. Según reportes previos, el paso determinante de velocidad de reducción de H2O2 está dominado por adsorción de H2O2 a baja concentración, mientras que la activación de H2O2 es el determinante principal a alta concentración. En la región media, la cinética de reducción de H2O2 está controlada por adsorción y activación al mismo tiempo [10]. Una multitud de analitos se adsorberán en superficie de Co2P y cubrirán sitios activos en alta concentración, lo que conduce a disminución de sensibilidad [41].

La comparación de rendimientos de detección H2O2 de la muestra Co2P preparada a diversas temperaturas y tiempos de reacción se muestra en Archivo adicional 1: Fig. S4, S5 y Tabla S1, indicando que la muestra Co2P preparada a 200 °C por 12 h muestra los mejores rendimientos de detección H2O2. Cuando la temperatura de reacción subió a 240 °C, el Co(PO3)2 formado en Co2P pudo considerarse impureza. Para clarificar más la influencia de Co(PO3)2 en detección H2O2, se investigaron propiedades electroquímicas de Co(PO3)2. Como se muestra en Archivo adicional 1: Fig. S6, Co(PO3)2 muestra respuesta electroquímica despreciable hacia H2O2 y su conductividad es inferior a Co2P, lo que reduce la señal de corriente de Co2P/ITO en prueba amperométrica. Por tanto, la mayor pureza y mejor cristalinidad de muestra Co2P pueden contribuir a la mejora de rendimientos de detección. Así, elegimos la muestra Co2P preparada a 200 °C y 12 h como mejor material de detección H2O2. La curva de calibración I–t también presenta buena relación lineal en concentración de 1,0–50 μM, el rango fisiológico de concentración H2O2 en biosistema (Fig. S7) [28], lo que podría ayudar a mejorar la posibilidad de aplicaciones prácticas de este sensor. Además, el límite de detección (LOD) del sensor H2O2 se calcula en 0,65 μM a relación señal-ruido de 3. Comparado con sensores H2O2 reportados previamente, los rendimientos electroquímicos integrales de nuestro transductor Co2P/ITO son superiores a los con sensibilidad favorable, rango lineal y LOD, como se muestra en Tabla 1.

Tras detectar 1,0 mM H2O2 repetidamente por 35 veces (Fig. 3a, b), los espectros XPS en regiones Co 2p y P 2p de Co2P se analizan para investigar más el mecanismo de detección. No hay cambio significativo en posición de picos en región P 2p antes y después de detección H2O2. Sin embargo, los picos a 778,2 y 793,0 eV en espectro Co 2p desaparecieron tras múltiples mediciones. Como el pico a 778,2 eV indica existencia de especies Co reducidas en muestra Co2P [37], la desaparición de estos dos picos demuestra que las especies Co reducidas con baja valencia en Co2P pueden ser oxidadas por H2O2 durante el proceso de detección, especialmente con alta concentración de H2O2. Los picos remanentes en región Co 2p (782,1 y 798,3 eV) se atribuyen a Co2+ 2p3/2 y Co2+ 2p1/2, respectivamente, sugiriendo existencia exclusiva de especies Co(II) en Co2P tras múltiples mediciones. Según reportes previos sobre utilización de electrocatalizador basado en cobalto en detección H2O2, especies Co2+ se demuestran como sitios activos catalíticos para reducción H2O2 [46,47,48]. Generalmente, la reducción electroquímica de H2O2 pasa por dos pasos en PBS [49, 50], como se muestra a continuación.

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

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

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

Nanopartículas de Fosfuro de Cobalto: Un Electrocatalizador Robusto para Detección Sensible y Enzimática de Peróxido de Hidrógeno
Comparación de espectros XPS en a región Co 2p y b región P 2p de Co2P antes y después de detección

En el primer paso, H2O2 obtiene un electrón para formar OH− adsorbido (OHad). Cuando el intermediario OHad obtiene un electrón adicional, el producto final de reducción de H2O2, H2O, se genera. Como el potencial redox de H2O2/H2O es mayor que Co3+/Co2+, las especies Co(II) en Co2P pueden oxidarse a Co(III) en el proceso de transferencia electrónica y H2O2 se reduce a H2O irreversiblemente. Durante la prueba amperométrica, el sesgo aplicado es −0,5 V versus Ag/AgCl (igual a 0,14 V vs. NHE), que es menor que el potencial redox estándar de Co3+/Co2+. Como resultado, el Co(III) oxidado puede reducirse a Co(II) y estos sitios activos catalíticos de Co(II) se regeneran de nuevo. Por tanto, se puede concluir que el ciclo catalítico de especies Co(II) tiene lugar durante detección electroquímica de H2O2 y las especies Co reducidas con baja valencia son oxidadas por H2O2 tras mediciones repetitivas.

Selectividad, Estabilidad, Reproducibilidad y Repetibilidad del Electrodo Co2P/ITO

El rendimiento anti-interferencia es otra propiedad importante de biosensor. Nitrógeno de alta pureza se utilizó para evitar influencia de oxígeno disuelto en solución porque el oxígeno podría reducirse a potencial similar al aplicado en prueba amperométrica [51]. Comparando curvas CV de Co2P/ITO en 0,1 M PBS con o sin purga de nitrógeno, el potencial de reducción y respuesta de corriente de 2,5 mM H2O2 son similares, como se muestra en Fig. S8, lo que sugiere que la interferencia de oxígeno disuelto puede despreciarse. La selectividad de Co2P/ITO también se probó con sustancias comunes y otras moléculas pequeñas en fluido corporal, como sales inorgánicas, azúcares, aminoácidos y biomoléculas reductoras. Como se muestra en Fig. 4a, la respuesta de corriente tras añadir los interferentes anteriores puede despreciarse comparada con la respuesta de 1,0 mM H2O2. Como ambos dos átomos O de H2O2 podrían enlazarse con uno o dos átomos Co [52], la molécula H2O2 se adsorbería químicamente en especies Co(II) en Co2P específicamente. Además, la interferencia de oxidación indiscriminada de algunos compuestos reductores en muestras biológicas reales a alto potencial también puede reducirse significativamente a potencial de sesgo negativo [53]. Por tanto, la selectividad favorable de Co2P hacia H2O2 beneficia principalmente de las especies Co(II) como sitios de adsorción específicos y el potencial de sesgo negativo aplicado durante el proceso de detección.

Nanopartículas de Fosfuro de Cobalto: Un Electrocatalizador Robusto para Detección Sensible y Enzimática de Peróxido de Hidrógeno
a Respuestas amperométricas de electrodo Co2P/ITO con adición de 1 mM H2O2 y otras especies interferentes (10 mM NaCl, KCl, Glu, Fru, urea, L-Gly, L-Arg, L-Lys, AA; 1 mM DA, UA; 0,5 mM APAP) en 0,1 M PBS. b Corrientes de pico catódico de diez curvas CV sucesivas en 50 μM H2O2. c Reproducibilidad de seis electrodos Co2P/ITO para detectar 1,0 mM H2O2. d Repetibilidad de electrodo Co2P/ITO para detectar 1,0 mM H2O2 ocho veces

Además, la estabilidad, reproducibilidad y repetibilidad del transductor Co2P/ITO también se evaluaron. Las corrientes de pico de reducción de diez curvas CV sucesivas en 50 μM H2O2 se muestran en Fig. 4b. Tras diez ciclos, la corriente de pico del electrodo solo cayó 2,7%. Además, el sensor mantuvo aproximadamente 98,2% de su respuesta de corriente inicial tras almacenarse en aire por un mes (Fig. S9), demostrando estabilidad de detección ideal y durabilidad sobresaliente a largo plazo. La reproducibilidad electrodo-a-electrodo se investigó calculando la desviación estándar relativa (RSD) de respuestas de corriente H2O2. Para eliminar error potencial de fabricación de electrodo en lo posible, la densidad de corriente estable en presencia de H2O2 se resta por la señal de fondo inicial de cada electrodo individual y el valor de diferencia obtenido se considera como respuesta electroquímica de cada electrodo. Seis electrodos Co2P/ITO se fabricaron bajo mismas condiciones para experimentos controlados y el RSD de respuestas de corriente fue 1,24%, como se muestra en Fig. 4c, indicando reproducibilidad relativamente excelente de Co2P/ITO. Mientras tanto, la repetibilidad se midió en un electrodo detectando 1,0 mM H2O2 ocho veces, y se logró RSD de 1,14% (Fig. 4d). Los resultados anteriores ilustran la satisfactoria estabilidad, reproducibilidad y repetibilidad del electrodo para detección electroquímica no enzimática de H2O2.

Conclusión

En resumen, Co2P NPs se sintetizaron exitosamente por método hidrotérmico. Además, las Co2P NPs preparadas a 200 °C por 12 h han demostrado ser catalizador eficiente hacia reducción electroquímica de H2O2 en PBS pH 7,4. Como sensor no enzimático de H2O2, el electrodo Co2P/ITO mostró respuesta amperométrica rápida menor a 5 s, rango de respuesta más amplio de 0,001 a 10,0 mM y límite de detección bajo de 0,65 μM, así como selectividad, reproducibilidad y estabilidad satisfactorias. Este trabajo busca ampliar la investigación sobre aplicación de fosfuro de metal de transición en detección electroquímica de biomoléculas pequeñas y nuestro sensor Co2P/ITO podría diseñarse como nueva plataforma no enzimática para detección de H2O2.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos y materiales están completamente disponibles sin restricción.

Abreviaturas

NPs:
Nanopartículas
ITO:
Óxido de indio y estaño
TEM:
Microscopía electrónica de transmisión
HRTEM:
Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución
XRD:
Difracción de rayos X
XPS:
Espectroscopía fotoelectrónica de rayos X
EDX:
Espectroscopía de rayos X dispersiva en energía
CV:
Voltametría cíclica
I-t:
Amperometría
Gly:
Glicina
AA:
Ácido ascórbico
UA:
Ácido úrico
Arg:
Arginina
Lys:
Lisina
DA:
Dopamina
APAP:
Paracetamol
ATMP:
Ácido fosfónico trimetileno amino
PBS:
Solución salina fosfatada
LOD:
Límite de detección
RSD:
Desviación estándar relativa

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