朱一凡|王仁杰|马梦瑶|季涵宇|甘金南|宋旭东|冉慧娟|陈倩倩|程巧涵|朱红玉|朱青松
河南工业大学材料科学与工程学院，郑州，中国
摘要
尿酸（UA）浓度是重要的健康指标。本研究开发了一种新型碳纸（CP）和Fe-MOF复合材料，并将其用作高效电化学传感器来检测UA。SEM、XRD和FT-IR证实了Fe-MOF在碳纸基底上的原位生长。该传感器对3至400 μM范围内的UA浓度表现出线性响应，相关系数（R² = 0.998）很高，检测限（LOD）为2.798 μM。传感器具有出色的重复性，RSD小于5%，并且长期稳定性良好，一个月后仍能保持96.4%的初始电流响应。此外，即使在抗坏血酸和多巴胺等干扰物质存在的情况下，它也能表现出对UA的选择性。通过标准加入法还评估了该CP/Fe-MOF传感器在典型生物液体（牛血清）中检测UA的可行性。其增强的传感性能可归因于复合材料中碳纸优异的电子传输性能，以及Fe-MOF组分增加的特定活性位点，这显著提升了电化学传感能力。
引言
尿酸（UA）是一种小分子，在人体内的浓度会动态波动，其代谢物是生理状态的直接指标。UA水平被广泛用作多种疾病的临床诊断标志物[1]、[2]、[3]。因此，迫切需要开发一种具有高灵敏度和快速响应能力的UA检测方法。目前，临床实验室中检测UA的主要方法包括高效液相色谱[4]、尿酸酶法[5]和基于荧光的检测技术[6]。与这些分析技术相比，电化学传感技术具有响应速度快、检测限低和选择性高的优势[7]、[8]、[9]、[10]。近年来，电化学传感技术在快速UA检测领域取得了显著进展。
电化学传感的效率与用于修饰电极的材料密切相关。在各种可用材料中，金属有机框架（MOF）具有丰富的活性位点和出色的结构可调性，近年来在传感应用中展现出巨大潜力[11]、[12]、[13]。值得注意的是，基于MOF的传感器已成功用于检测多种分析物，包括双酚A、UA和草甘膦，进一步验证了其在电化学传感中的多功能性[14]、[15]、[16]。通过精确设计金属节点和有机配体，MOF能够高效检测多巴胺和UA等生物分子[17]。在各种过渡金属中，铁由于其独特的电子构型和优异的电化学性质，成为MOF中非常有前景的配位中心[18]。与钴和镍等过渡金属相比，铁具有丰富的氧化还原反应（Fe²⁺/Fe³⁺），有助于高效电子转移，并实现多步骤氧化还原反应，从而显著提高催化活性[19]；双金属MOF（例如Ni-Co、Mn-Co、Zn-Co MOF）在传感应用中也表现出优异的催化性能，不过基于铁的MOF因其成本效益和环境友好性而尤为突出[14]、[20]、[21]。此外，铁天然丰富、成本低廉且环保，在经济可行性和可持续性方面具有明显优势[22]、[23]。Fe³⁺的引入还可以诱导局部晶格畸变，增加活性位点的密度，而高比表面积（高达1200 m²/g）和有序的多孔结构促进了离子扩散和质量传输[24]、[25]。这些综合特性使Fe-MOF成为构建高性能电化学传感平台的理想候选材料。然而，其固有的局限性（如导电性差和电荷转移电阻高）限制了其直接应用，需要与导电功能材料（如碳纳米纤维、石墨棒、氧化石墨烯）结合使用，以充分发挥其传感潜力[11]、[15]、[18]、[26]、[27]、[28]；这种策略已在基于MOF的葡萄糖、4-硝基酚和抗生素传感器中得到广泛应用，证明了其在克服MOF固有缺陷方面的有效性[12]、[26]、[27]、[29]。
在各种导电材料中，碳纸（CP）因其独特的三维多孔结构和优异的整体性能而成为基于MOF的电化学传感器的理想复合载体[30]、[31]、[32]。与PPy和PEDOT等导电聚合物相比，CP具有更高的导电性、更好的化学稳定性和机械强度，从而实现更高效的电荷传输[33]、[34]、[35]。此外，其更简单的操作性使其更适合用于柔性可穿戴传感设备[36]、[37]。与石墨烯和碳纳米管等纳米级碳材料相比，其宏观多孔结构有利于MOF颗粒的均匀分散，并促进分析物分子的快速扩散[38]、[39]。多孔网络不仅为MOF生长提供了稳定的基底，还能有效防止纳米颗粒聚集[40]、[41]。此外，通过协同作用，它显著提高了复合材料的导电性和电催化活性。此外，CP具有商业可行性、低成本，适合制造大面积电极，并且具有优异的生物相容性、耐腐蚀性和成本效益，特别适合用于生物分子检测的电化学传感器平台[42]、[43]、[44]。在UA检测中，CP的三维导电框架增强了分子与电极的接触和质量传输，而其高导电性确保了快速的电子转移，从而提高了传感器的灵敏度和响应动力学。
在本研究中，我们开发了一种基于Fe-MOF和CP复合结构的新型电化学传感器。所构建的CP/Fe-MOF混合材料结合了Fe-MOF的催化活性和CP的优异导电性及机械强度。结果表明，该改性传感平台表现出高选择性、出色的重复性和显著的稳定性，以及宽范围的线性检测范围。这些性能提升归因于CP和Fe-MOF之间的协同作用，促进了高效的界面电子传输并增强了UA的识别能力。这项工作有效解决了基于MOF的传感器因电子传输不良而导致的局限性，为UA的灵敏和稳定检测提供了一种实用可靠的策略。
碳纸（CP）购自苏州赛诺罗科技有限公司。六水合三氯化铁（99%，FeCl₃·6H₂O）、2,5-二羟基对苯二甲酸（98%，C₈H₆O₆）、尿酸（99%，UA）和新生小牛血清（NCS，经过认证和无菌过滤）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。十二水合磷酸二钠（99%，Na₂HPO₄·12H₂O）和二水合磷酸二钠（99%，Na₂HPO₄·2H₂O）均由新华化工试剂有限公司提供。
使用SEM研究了CP、Fe-MOF及其复合材料CP/Fe-MOF的形态，如图2所示。图2A显示CP具有纤维状结构，平均纤维直径约为9.5 μm，与其特征形态一致。相比之下，图2B显示Fe-MOF具有由聚集颗粒组成的晶体形态和明显的层状簇。CP/Fe-MOF混合材料的SEM图像（图2C）展示了独特的...
在本研究中，我们提出了一种基于CP的电化学传感器用于UA的检测。该复合材料是通过在CP表面原位生长Fe-MOF制备的。系统评估了CP/Fe-MOF复合材料对UA的电化学性能。观察到Fe-MOF和CP之间的显著协同效应，极大地提高了电化学传感性能。传感器表现出3至400 μM范围内的宽线性检测范围，以及高...
朱一凡：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证。
王仁杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，资金获取。
马梦瑶：验证。
季涵宇：验证。
甘金南：验证。
宋旭东：撰写 – 原稿，验证。
冉慧娟：撰写 – 原稿，验证。
陈倩倩：撰写 – 原稿，验证。
程巧涵：撰写 – 原稿，验证。
朱红玉：撰写
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
本工作得到了国家自然科学基金（32000388）、河南工业大学自然科学基金（2021BS006）、河南省自然科学基金项目（普通项目）（252300420025）、河南省科技厅自然科学基金（252102231001）以及河南工业大学青年骨干教师培养计划（21421210）的财政支持。
