具有可调灵活性的聚合物离子液体介导的ZIF-67/MWCNTs界面改性:用于选择性咖啡酸电化学检测的三重界面机制

时间:2026年5月19日
来源:Talanta

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黄曼|吴一峰|张玉轩|唐宝坤|王子坤|严宏远|朱涛摘要作为饮料中多酚的关键成分,咖啡酸(CA)的精确定量对于评估饮料质量和研究其健康相关功能至关重要。含有环氧基团、碳-碳双键和碳-碳三键的离子液体(ILs)/深共晶溶剂(DESs)单体通过不同的聚合方式转化为功能化的聚合物离子液体

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黄曼|吴一峰|张玉轩|唐宝坤|王子坤|严宏远|朱涛

摘要

作为饮料中多酚的关键成分,咖啡酸(CA)的精确定量对于评估饮料质量和研究其健康相关功能至关重要。含有环氧基团、碳-碳双键和碳-碳三键的离子液体(ILs)/深共晶溶剂(DESs)单体通过不同的聚合方式转化为功能化的聚合物离子液体(PILs)/聚合物深共晶溶剂(PDESs)。这些经过键合模式改性的聚合物与沸石咪唑框架(ZIF-67)/多壁碳纳米管(MWCNTs)复合,构建了一种用于检测CA的三元电化学传感器(ZIF-67/MWCNTs@PIL/PDES)。通过碳-碳双键聚合的PIL表现出最佳性能,因为其灵活的主链优化了电荷分布,并增强了与CA的π-π堆叠和静电相互作用。结合密度泛函理论(DFT)计算,揭示了界面静电协同机制和电子转移路径。同时,它可以通过灵活的构象调整填充ZIF-67的孔隙并附着在MWCNTs的管壁上,增加接触面积以促进界面电荷转移。基于双键聚合PIL的传感器在0.1-20.0 μM和20.0-150.0 μM范围内表现出优异的线性响应,检测限(LOD)低至0.0734 μM,并成功应用于咖啡、红葡萄酒和绿茶样品中的CA检测。

引言

咖啡酸(CA)广泛存在于咖啡、茶和红葡萄酒等饮品中[1]。适量摄入可能协同保护心血管健康,提供抗菌效果,并调节葡萄糖代谢[[2], [3], [4]],而过量摄入则与促氧化作用相关,可能导致氧化应激、DNA损伤和潜在的细胞毒性风险[5]。因此,准确量化其浓度是安全评估的先决条件。现有的检测方法,如HPLC/MS分析和毛细管电泳[7],操作相对繁琐。相比之下,电化学传感技术具有响应迅速、操作简单和成本低等优点,可以有效克服传统方法的局限性,并已被认为是检测食品基质中活性成分的重要工具[8]。CA分子中的儿茶酚结构和羧基赋予了其优异的电化学活性,通过电极表面的氧化还原反应可以生成可识别的电信号,为电化学检测提供了基础。
传统的电化学传感器通常存在选择性不足(易受样品中其他酚类物质或干扰离子的干扰)和灵敏度有限(对低浓度CA响应弱)的问题。因此,通过电极材料的结构设计和功能优化来提高CA检测性能已成为当前电化学传感研究的关键方向之一,也为本研究的实施提供了重要见解。
聚合物离子液体(PILs)结合了离子液体的低蒸气压和宽溶解范围以及聚合物的机械稳定性[9],因此被视为纳米材料功能化的理想改性剂[10,11]。通过改性,贵金属纳米粒子和碳纳米管的导电性和亲水性得到了显著提升[12,13]。同时,PILs继承了离子液体的结构可调性[14],通过调节阳离子类型[15]和阴离子种类等参数,可以实现界面电荷转移效率的精确优化[[16], [17], [18], [19]]。PDESs通过聚合将深共晶溶剂(DESs)的低毒性和高溶解性与聚合物的结构稳定性结合[20]。它们动态的氢键网络允许灵活调节材料的表面极性微环境,显著增强了了对极性分析物的亲和力[21]。此外,灵活的聚合物链还可以进一步抑制纳米颗粒的聚集[22],保证了稳定的界面反应。
当前的研究主要集中在调节离子类型和烷基链长度等结构参数以优化性能。关于聚合过程中的键合模式(例如双键和三键)如何影响主链灵活性、电荷分布和界面相互作用机制的系统研究仍然不足。深入研究这一问题是实现突破的关键方向。沸石咪唑框架-67(ZIF-67)实现了高效的目标富集,这一特性归因于其高孔隙率[23,24]、大的比表面积和丰富的活性结合位点[25,26]。然而,其在电化学传感中的应用受到固有的低导电性和水不稳定性[27,28]的显著限制。通常采用与碳纳米管(CNTs)等导电物质的复合。这种方法可以确保可用活性位点的数量增加并加速电子转移[[29], [30], [31]]。然而,粘合剂引起的碳纳米管聚集和破碎仍可能导致活性位点的损失和界面接触不良[32,33]。
在本研究中,五种具有不同键合模式的IL/DES单体通过三种典型途径(开环聚合、自由基聚合和Pd催化的配位聚合)在ZIF-67/MWCNTs上聚合。这种复合材料结合了ZIF-67的高孔隙率、MWCNTs的高导电性以及PILs/PDESs对材料结构稳定性的协同效应及其固有的导电性。通过含有双键的IL单体聚合形成的复合材料表现出最佳的电化学性能,并成功用于饮料中的CA检测。此外,还通过DFT计算研究了电化学传感机制。

章节片段

实验

试剂和仪器详见补充材料Text S1.11.2
环氧基团、C双键C双键和C三键C三键含量的ILs和DESs的具体合成过程,以及这些单体聚合为PILs和PDESs的详细步骤,见图1和Text S1.3

通过FT-IR光谱进行化学结构表征

通过FTIR光谱(图3a和b)清晰地识别了这八种目标材料的化学组成。ZIF-67的特征吸收峰分别位于426 cm−1(Co–N配位键)、1579 cm−1(C双键N伸缩振动)、1666 cm−1(C双键C伸缩振动)、2923 cm−1(脂肪族C–H振动)和991 cm−1(框架C–N振动)。MWCNTs在3413 cm−1处表现出明显的–OH伸缩振动。对于所有复合材料,

结论

含有三种不同键合模式(环氧基团、C双键C双键和C三键C三键)的离子液体(ILs)/深共晶溶剂(DESs)通过三种典型途径(开环聚合、自由基聚合和Pd催化的配位聚合)转化为聚合物离子液体(PILs)/聚合物深共晶溶剂(PDESs)。然后这些聚合物与沸石咪唑框架-67/多壁碳纳米管(ZIF-67 MWCNTs)复合,制备了一种三元电化学传感器

CRediT作者贡献声明

黄曼:数据整理、研究、软件开发、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。吴一峰:概念构思、研究方法设计。张玉轩:概念构思、研究方法设计。唐宝坤:正式分析、研究监督。王子坤:正式分析、监督。严宏远:项目管理、监督。朱涛:概念构思、资金获取、项目管理、资源协调、监督,

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(编号:22178081)、河北省创新能力提升计划(编号:20567605H)和天津市自然科学基金(编号:25JCLZJC00130)的资助。此外,还得到了河北大学的高层次人才研究项目(编号:521000981409)、河北大学的自然科学跨学科研究计划(编号:DXK202507)以及创新团队的支持

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