本发明属于材料领域，具体涉及一种n掺杂碳包裹的co@co3o4核壳颗粒多面体及其制备方法与应用。
背景技术：
在临床研究、生物加工和食品工业中，发展可靠且具有成本效益和高性能的传感设备，被认为是对葡萄糖进行精确快速检测的重要科技手段。检测技术方面，电化学技术因其独特性、简便性、灵敏性、快速响应时间、检测限低、长期稳定性和快速检测等特点受到广泛关注。电化学葡萄糖传感器主要分为基于酶的感测和非酶促葡萄糖感测。但是，酶促传感器始终依赖于催化酶，例如葡萄糖氧化酶。在其催化下，葡萄糖被氧气氧化成葡萄糖酸内酯和h2o2。产生的过氧化氢被介体还原，引起电流响应的微小变化。而且，由于其不稳定，成本高以及难以固定酶传感器，许多研究更加重视非酶活性剂的开发用于电化学葡萄糖传感器。
近来，由于地球含量高，环境友好且具有成本效益，具有不同结构和尺寸的co3o4基纳米颗粒(nps)的复合材料引起了全世界的关注。但是，co3o4nps的电导率对于葡萄糖的非酶检测是不利的。co3o4nps和导电碳材料的制备复合结构是提高电极材料电导率的通用方法。如co3o4nps和石墨烯复合材料，co3o4nps和碳纳米管复合材料和其他多孔碳材料。然而，co3o4nps和导电碳材料的复合材料通常会遇到聚集，活性降低等问题。迄今为止，金属有机骨架(mof)是一种由金属离子和有机分子自组装合成的定义明确的中空材料。并且，由于mof具有高的表面积和多孔的质量传递路径，因此它们是制造多孔碳载体金属或金属氧化物以表现出潜在催化活性的优良牺牲模板。此外，小尺寸的金属或金属氧化物颗粒可以原位嵌入碳骨架中而不会聚集。因此，近来研究了mof衍生的纳米复合材料作为有效的催化剂。
技术实现要素：
本发明的一个目的是提供一种n掺杂碳包裹的co@co3o4核壳颗粒多面体。
本发明所提供的n掺杂碳包裹的co@co3o4核壳颗粒多面体(co@co3o4-nc)是按照包括下述步骤的方法制备得到的：
1)将zif-67晶体(沸石咪唑酯框架-67，zeoliticimidazolateframework-67)在惰性气氛中进行碳化处理，自然冷却至室温后得到co-nc复合材料；
2)将co-nc复合材料在空气中加热至220±20℃，并在200±1℃保温24±5h，形成co@co3o4-nc。
上述方法步骤1)中，所述惰性气氛具体可为氮气，所述碳化的温度为800±50℃(具体可为800℃)，时间为1～3h(具体可为2h)。由室温达到所述碳化的温度的升温速率可为1～5℃min-1(具体可为5℃min-1)。
上述方法步骤1)中，所述zif-67晶体是按照下述方法制备得到的：将硝酸钴和2-meim(2-甲基咪唑)在乙醇溶液中进行反应，反应结束后离心收集沉淀；将所述沉淀用乙醇洗涤后干燥，即得。
其中，硝酸钴和2-meim的质量比为0.727：1.64。所述反应具体是在室温搅拌反应2小时。所述干燥具体是在80℃的真空烘箱中干燥过夜。
上述方法步骤2)中所述加热的速率为2±1℃min-1。
根据本发明的一个实施例，上述方法步骤2)具体可为：将co-nc复合材料在空气中加热至220℃，并在200℃保温24h，形成co@co3o4-nc。
本发明的另一个目的是提供上述n掺杂碳包裹的co@co3o4核壳颗粒多面体(co@co3o4-nc)的应用。
本发明所提供的应用是co@co3o4-nc在制备非酶电化学葡萄糖传感器中的应用。
本发明的再一个目的是提供一种非酶电化学葡萄糖传感器。
本发明所提供的非酶电化学葡萄糖传感器，包括工作电极，对电极和参比电极，其中，所述工作电极为表面修饰有co@co3o4-nc层的基底电极。
所述基底电极具体可为玻碳电极(gce)。所述工作电极中co@co3o4-nc相对于所述基底电极的用量可为0.357mg·cm-2。
本发明中co-nc/gce与co3o4-nc/gce的制备方法与上述相同。
所述对电极具体可为铂电极。
所述参比电极具体可为hg/hgo。
本发明还保护一种检测葡萄糖的方法。
所述方法包括下述步骤：利用上述非酶电化学葡萄糖传感器，对含有葡萄糖的溶液进行电化学检测。
所述非酶电化学葡萄糖传感器的工作电压为0.64v(参比电极为hg/hgo)。
所述含有葡萄糖的溶液中葡萄糖的浓度可为0.01-4mm。
所述含有葡萄糖的溶液中含有0.1mkoh或naoh。
所述含有葡萄糖的溶液中还含有多巴胺(da)和/或尿酸(ua)和/或抗坏血酸(aa)。
本发明的发明人通过简单热解方法制备了co@co3o4核壳颗粒封装的n掺杂碳多面体(co@co3o4-nc)。受益于特殊的结构和氮掺杂，co@co3o4-nc具有非酶电化学葡萄糖感测的高性能。用co@co3o4-nc制成的传感器的灵敏度可以达到251.9μamm-1cm-2，检测极限可以低至0.3μm(s/n＝3)，线性范围为0.01-4mm。传感电极在实际样品分析中也是可行的。
附图说明
图1为(a)co-nc，co3o4-nc和co@co3o4-nc的xrd图；(b)co-nc，co3o4-nc和co@co3o4-nc的拉曼光谱；(c)co@co3o4-nc的氮吸附-解吸等温线；(d)co@co3o4-nc的xps光谱；(e)co@co3o4-nc的高分辨co2p光谱；(f)n1s的高分辨率xps光谱。
图2为(a)co-nc的sem图像；(b)co-nc的tem图像；(c)co-nc的hrtem图像；(d)co@co3o4-nc的sem图像；(e)co@co3o4-nc的tem图像；(f)co@co3o4-nc的hrtem图像；(g)co3o4-nc的sem图像；(h)co3o4-nc的tem图像；(i)co3o4-nc的hrtem图像。
图3为(a)在含有5mm葡萄糖或不含葡萄糖的0.1mkoh中，裸露的gce，co-nc/gce，co@co3o4-nc/gce和co3o4-nc/gce的cv曲线。(b)裸露的gce和co@co3o4-nc/gce在5mmk3fe(cn)6/0.1mkcl溶液中的cv曲线。
图4为(a)在0.1mkoh溶液中扫描速度为2-200mvs-1时co@co3o4/gce的cv曲线。(b)峰值电流密度与扫描速率的关系。
图5为(a)co@co3o4/gce在0.64v下将葡萄糖连续添加到0.1mkoh中的安培响应；(b)电流对葡萄糖浓度的校准曲线，误差线表示不同电极进行的三个独立测量的标准偏差；(c)co@co3o4/gce在0.1mm葡萄糖以及0.1mm不同干扰物存在的0.1mkoh溶液中的抗干扰测试；(d)co@co3o4/gce电极的长期稳定性。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中使用的2-甲基咪唑(2-meim,99％)购买自macklin。六水硝酸钴(co(no3)·6h2o,98.5％),氢氧化钾(koh,≥85.0％),甲醇(ch3oh,≥99.7％)购买自国药试剂。葡萄糖(99％)购买自acrosorganics。抗坏血酸(aa,≥99.0％),尿酸(ua,≥99.0％)和多巴胺(da)购买自sigma-aldrich。所有其他试剂均为分析纯，无需进一步纯化即可使用。所有溶液均用去离子(di)水制备。
实施例1、制备co@co3o4核壳颗粒封装的n掺杂碳多面体(co@co3o4-nc)
1.1制备zif-67
将0.727g硝酸钴溶解在25ml甲醇中，然后将其倒入25ml含1.64g2-meim(2-甲基咪唑)的甲醇中。混合后将溶液在室温搅拌2小时。离心收集获得的沉淀物，用甲醇洗涤3次，并在80℃的真空烘箱中干燥过夜，得到呈紫色的zif-67晶体(沸石咪唑酯框架-67，zeoliticimidazolateframework-67)。
1.2制备co-nc复合物
zif-67晶体在n2气氛下于800℃碳化2h，升温速率为5℃min-1(即以5℃min-1的速率升温至800℃，然后保温2h)，自然冷却至室温后得到co-nc。
1.3制备co@co3o4-nc复合物
co-nc复合材料在空气中以2℃min-1的加热速率加热至220℃，并在200℃保温24h，形成co@co3o4-nc。
1.4制备co3o4-nc复合物
co-nc复合材料在空气中以2℃min-1的加热速率加热至220℃，并在200℃保温48h，，形成co@co3o4-nc。
1.5表征和测试方法
通过场发射扫描电子显微镜(fesem，jsm-6701)和透射电子显微镜(tem，jeoljem-2100)表征催化剂的结构和形态。x射线衍射(xrd)的测量是使用cukα辐射
2.1材料表征
进行了xrd分析以确认co@co3o4-nc的设计结构(图1a)。衍射峰出现在44.2°和51.5°处，对应于面心(fcc)金属co相的(111)和(200)平面的反射(jcpdsno.15-0806)。同时，在31.2°，36.9°，44.8°，59.3°和65.2°出现了另外一个峰，并分别对应于立方的(220)，(311)，(400)，(511)和(440)反射尖晶石co3o4相(jcpdsno.42-1467)。co3o4–nc样品在空气中被氧化的时间更长，并且显示出立方尖晶石co3o4的衍射峰更强。而未经空气中进一步氧化处理而获得的co-nc样品仅显示出金属co相的衍射峰。co@co3o4-nc的拉曼光谱表明表面存在尖晶石co3o4结构，典型的多个拉曼位移分别在482cm-1、521cm-1、621cm-1和692cm-1(图1b)。co3o4–nc样品显示co3o4的拉曼位移信号更强，这是因为金属co纳米颗粒被完全氧化，而在空气中的氧化时间更长。co-nc样品在测试范围内未显示拉曼信号。
co@co3o4-nc的n2吸附-解吸等温线曲线如图1c所示。使用bjh方法计算孔径，结果，平均孔径约为5nm，co@co3o4-nc的bet表面积和累积孔径为322.807m2g-1和0.279cm3g-1。co@co3o4-nc的高表面积和孔可以增加有效空间，以将葡萄糖和电解质扩散到催化剂表面。
co@co3o4-nc的xps调查光谱显示，其表面主要由c(64.2at％)，n(2.9at％)，o(23.6at％)和co(9.3at％)组成(图1d)。co2p3/2信号区域中的高分辨率xps光谱(图1e)通过曲线拟合进入778.9ev的典型金属co相和780.4ev的co3o4。29n实际上来自分解的有机配体并为成功掺杂提供了证据。由于自旋轨道耦合，高分辨率的n1s光谱(图1f)可以解卷积到三个亚峰，包括吡啶-n(399.5ev)，石墨-n(401.3ev)和氧化-n(405.2ev)。
这些结果与锚定在氮掺杂碳骨架中的部分氧化co粒子的设计催化剂结构非常吻合。
用sem和tem研究了co@co3o4-nc催化剂的形貌。co@co3o4-nc的sem图像(图2d)显示出规则的十二面体形态，平均颗粒直径约为350nm，类似于原始zif-67晶体和co-nc(图2a)。然而，随着氧化时间的增加，碳骨架出现了不同程度的粉碎。特别是在图2g中，co3o4-nc显示出更加无序的结构。co@co3o4-nc的增强高分辨率tem(hrtem)图像(图2f)显示出明显的晶面间距为0.242nm和0.466nm，对应于具有(311)和(111)晶格条纹的立方co3o4。在另一个不同的结构域周围发现了这些条纹，该结构域的平面间距为0.204nm，对应于具有(111)晶格条纹的金属co。为了进行比较，co-nc(图2c)和co3o4-nc(图2i)的hrtem图像显示出0.204nm和0.242nm的晶面间距，对应于co的(111)晶格条纹(jcpdsno.15-0806)和co3o4的(311)晶格条纹(jcpdsno.42-1467)。显然，碳层围绕在co@co3o4颗粒周围。这些结果与锚定在碳骨架中的部分氧化的co纳米颗粒的预期一致。
2.2葡萄糖在co@co3o4-nc/gce上的循环伏安特性
从图3a中可以看出，co@co3o4-nc/gce和co3o4-nc/gce(制备方法参照co@co3o4-nc/gce)都显示了两对氧化还原峰，约0.64v和0.3v的阳极峰，约0.55v和0.25v的阴极峰。一对约0.55v和0.64v的氧化还原峰对应于co3 和co4 之间的可逆转变，而约0.25v和0.55v的峰可归属于co2 和co3 之间的转化。这两个可逆反应可以被示意地表达为：
和
添加葡萄糖后，co@co3o4-nc/gce在0.64v的强度下表现出明显的催化电流峰，约为2.78macm-2。相反，co3o4-nc/gce和co-nc/gce的氧化还原峰略有增加，而裸露的gce对葡萄糖的氧化反应非常弱。在图3b中，我们通过循环伏安法研究了gce和co@co3o4-nc/gce在5mmk3fe(cn)6/0.1mkcl溶液中的电化学活性。可以看出，co@co3o4-nc/gce处的峰电位分离度比gce处的峰电位分离度低，这表明co@co3o4-nc的存在可以加速电子传输速率。根据randles-sevcik方程，与0.063cm2的gce相比，co@co3o4-nc/gce的电活性面积更大，为0.093cm2。
在0.1mkoh中获得了不同扫描速率下co@co3o4-nc/gce的cv。结果表明，阳极和阴极峰值电流都在2至200mvs-1的范围内增加(图4a)。图4b显示了阳极和阴极峰值电流与扫描速率之间良好的线性关系，表明表面受控的电化学过程。
2.3葡萄糖传感
如图3a所示，在0.64v的阳极峰处添加葡萄糖的电流增加要比在0.3v的阳极峰处增加的电流强得多，这可能表明葡萄糖的电氧化主要由co3 /co4 介导，而不是比碱性溶液中的co2 /co3 。因此，将0.64vvs.hg/hgo的电势用于以下安培检测。在电流为0.64vvs.hg/hgo的情况下，在0.1mkoh中的电流-时间曲线进一步评估了co@co3o4-nc/gce对葡萄糖氧化的可靠性。图5a示出了楼梯箱的伏安图和在不同葡萄糖浓度下的安培电流的逐步增加。电流响应在5s内达到稳态电流(图5a插图)，揭示了葡萄糖电氧化过程涉及的快速电荷载流子动力学。该葡萄糖传感器的拟合曲线如图5b所示。由于葡萄糖在co3s4-g上的电化学氧化是表面催化反应，因此使用langmuir等温理论拟合曲线32。根据langmuir等温理论，催化剂表面吸附的葡萄糖浓度(cglucoses)可以表示为:
其中，ka是吸附平衡常数，ct是co3s4-g上活性位点的总摩尔浓度，它是恒定的，而cglucose是大体积电解质中葡萄糖的浓度。因此，在给定的施加电势下，葡萄糖电化学氧化产生的电流密度响应j与cglucoses近似成比例，速率常数为kb。因此，通过定义一个新的常数，j可以表示如下k＝kakbct：
像图5中所示，这个等式中的k＝0.447和ka＝0.126可以拥有很好的拟合常数(r＝0.986).所以j可以表示为：
此外，该葡萄糖传感器的校准曲线表现出0.01-4mm的线性范围，并且该传感器在信噪比3下的灵敏度为251.9μamm-1cm-2，检测极限为0.3μm。
在生物系统中，多巴胺(da)，尿酸(ua)和抗坏血酸(aa)通常与葡萄糖共存，这可能会影响葡萄糖的检测。因此，选择性是葡萄糖传感器的重要参数。通过在0.1mnaoh中连续添加0.1mm葡萄糖和0.1mm其他干扰物来进行干扰实验。在图5c中可以看出，co@co3o4-nc/gce对葡萄糖具有显著的响应，但是对干扰物质的响应却可以忽略不计，并且电流密度在另外添加葡萄糖的情况下再次增加。考虑到在生理环境中葡萄糖的浓度是这些干扰物种的30倍以上，co@co3o4-nc/gce的选择性是有利的。通过长时间测量安培响应，研究了co@co3o4-nc/gce的稳定性。图5d显示了在7天内对0.1mm葡萄糖的安培响应。7天后，最终的安培响应约为原始响应的95.2％，表明co@co3o4-nc/gce具有出色的稳定性。还通过测量五个co@co3o4-nc/gce平行电极对0.1mnaoh中1mm葡萄糖的循环伏安法响应，评估了co@co3o4-nc/gce的可重复性。阳极峰值电流密度的相对标准偏差(rsd)为5.6％，表明具有良好的重现性。
2.4葡萄糖传感器的实际应用
为了证明co@co3o4-nc/gce在实际分析中的可行性，采用安培法测试了医用葡萄糖注射液中的葡萄糖浓度。通过根据标准添加方法加标三个已知水平的葡萄糖，进行葡萄糖注射的葡萄糖的回收率和rsd。电化学测量进行三次(n＝3)。葡萄糖注射液在使用前未经过处理。三次检测的回收率在97％到104％之间，三次检测的rsd小于2.6％，表明在co@co3o4-nc/gce上有效，灵敏地测定了葡萄糖。这表明co@co3o4-nc/gce在实际和可靠的葡萄糖分析中具有巨大的潜力。
总之，co@co3o4-nc/gce已被证明是在碱性条件下进行葡萄糖氧化的有效催化剂电极。用作非酶葡萄糖电化学传感器时，它显示出高灵敏度和选择性，并具有令人满意的稳定性和可重复性。而且，该传感器在实际分析中显示出确定葡萄糖的巨大潜力。
1.一种n掺杂碳包裹的co@co3o4核壳颗粒多面体的制备方法，包括下述步骤：
1)将zif-67晶体在惰性气氛中进行碳化处理，冷却至室温后得到co-nc复合材料；
2)将co-nc复合材料在空气中加热至220±20℃，并在200±1℃保温24±5h，即得所述n掺杂碳包裹的co@co3o4核壳颗粒多面体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述惰性气氛具体为氮气，所述碳化的温度为800±50℃，时间为1～3h；由室温达到所述碳化的温度的升温速率为1～5℃min-1。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述zif-67晶体是按照下述方法制备得到的：将硝酸钴和2-甲基咪唑在乙醇溶液中进行反应，反应结束后离心收集沉淀；将所述沉淀用乙醇洗涤后干燥，即得。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述加热的速率为2±1℃min-1。
5.权利要求1-4中任一项所述方法制备得到的n掺杂碳包裹的co@co3o4核壳颗粒多面体。
6.权利要求4所述的n掺杂碳包裹的co@co3o4核壳颗粒多面体在制备非酶电化学葡萄糖传感器中的应用。
7.一种非酶电化学葡萄糖传感器，包括工作电极，其特征在于：所述工作电极为表面修饰有权利要求4所述的n掺杂碳包裹的co@co3o4核壳颗粒多面体层的基底电极。
8.根据权利要求7所述的非酶电化学葡萄糖传感器，其特征在于：所述基底电极为玻碳电极；所述工作电极中n掺杂碳包裹的co@co3o4核壳颗粒多面体相对于所述基底电极的用量为0.357mg·cm-2；
所述非酶电化学葡萄糖传感器，以铂电极为对电极，以hg/hgo为参比电极，以koh或naoh为电解液。
9.一种检测葡萄糖的方法，包括下述步骤：利用权利要求7或8所述的非酶电化学葡萄糖传感器，对含有葡萄糖的溶液进行电化学检测。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述含有葡萄糖的溶液中还含有下述至少一种物质：多巴胺、尿酸和抗坏血酸；
所述非酶电化学葡萄糖传感器中的参比电极为hg/hgo，所述非酶电化学葡萄糖传感器的工作电压为0.64v。
技术总结