文章导读

多巴胺 (DA) 作为一种重要的神经递质，直接由大脑分泌，与细胞响应、情绪调节等密切相关。然而，多巴胺含量异常 (过低或过高) 常与帕金森氏症、心血管疾病及阿尔茨海默病等密切关联。因此，开发能够快速、精确检测多巴胺含量的传感技术对临床医学具有重要意义。与传统基于酶的电化学传感器不同，无酶传感器不仅降低了使用难度，而且显著提升了传感器的稳定性和寿命。近年来，金属氧化物纳米结构，尤其是具有p-n异质结的复合材料，展示了出色的电化学性能。本篇由意大利墨西拿大学Giovanni Neri团队撰写并发表于 Chemosensors 期刊的文章，聚焦于基于Co₃O₄-Fe₂O₃异质结的电化学传感器，详细研究其性能优化，通过多种表征和测试方法，揭示了该传感器在DA检测中的优异性能及潜在传感机制，为开发实用的多巴胺传感器提供了理论依据和实验基础。

研究过程和结果

实验材料与方法

本研究合成了多种不同比例的Co₃O₄纳米复合材料，并对其微观结构进行了全面表征。实验中，采用了溶胶-凝胶法及自燃法制备纳米复合材料，并通过X射线衍 (XRD)、扫描电子显微镜 (SEM)、BET比表面积分析、傅里叶红外光谱 (FTIR) 等技术表征材料的结构、形貌及表面积等参数。电化学测试主要通过循环伏安法 (CV) 进行，以确定传感器的最优反应电流、灵敏度及检出限 (图1)。

图1. 采用Co₃O₄-Fe₂O₃纳米复合材料进行SPCE改性工艺及CV响应对DA测定的影响。

实验结果与分析

XRD分析显示，合成的Co₃O₄和Fe₂O₃纳米复合材料具有立方相和四方相结构，分别属于Fd3m和P空间群。SEM图像显示所有样品均由不规则形状的纳米粒子组成，而EDX光谱证实了所有复合材料样品中均存在Co、Fe和O元素 (图2)。通过氮气吸附-脱附等温线评估的BET比表面积和孔隙率表明，随着Fe₂O₃含量的增加，比表面积增大，孔隙体积和孔径也发生变化，反映了两种氧化物之间的高度相互作用。

图2. Co₃O₄ : Fe₂O₃ (0.5 wt% : 0.2 wt%) 纳米复合材料的XRD谱图，插图显示了纯Co₃O₄和Fe₂O₃ : Fe₂O₃ (0.5 wt% : 0.4 wt%) 纳米复合材料的SEM和EDX。

FT-IR和拉曼光谱进一步证实了Co₃O₄-Fe₂O₃纳米复合材料的成功合成 (图3)。电化学测试表明，修饰后的SPCEs对多巴胺的响应显著提高，尤其是Co₃O₄ : Fe₂O₃ (0.5 wt% : 0.4 wt%) / SPCE，表现出最佳的电化学性能。循环伏安测试结果表明，该修饰电极对多巴胺的线性响应范围为10—100 µM，灵敏度为0.604 µA µM−1cm−2，检测限为0.24 µM。

图3. 制备的Co₃O₄ : Fe₂O₃纳米复合材料的ATR-FTIR图。

基于结构和电化学测试结果，认为Co₃O₄-Fe₂O₃异质结的形成提供了较大的比表面积，增加了金属氧化物界面处的电活性位点数量以及p-n异质结，从而显著增强了对多巴胺的电化学响应。具体而言，Fe₂O₃引入导致的钴尖晶石畸变是增强多巴胺检测电化学特性的关键因素，这引起了复合材料结构参数的变化，如表面积增加，进而增加了活性位点数量。此外，p-n结在传感机制中也起着决定性作用，其形成改善了电学性能，降低了阻抗，提高了电子的可用性，从而促进了多巴胺在电极表面的吸附和氧化过程，实现了对多巴胺的灵敏检测。

文章总结

本研究表明，Co₃O₄ : Fe₂O₃异质结构的形成为多巴胺的电化学检测提供了一个有效的平台。这种纳米复合材料不仅增加了比表面积，提高了多巴胺的吸附量，还可能通过p-n异质结的形成改善了电子传输特性。这些特性共同作用，使Co₃O₄ : Fe₂O₃异质结修饰的SPCEs在多巴胺检测中展现出优异的性能。这项研究成功地将Co₃O₄-Fe₂O₃异质结纳米复合材料应用于电化学传感器领域，实现了对多巴胺的高灵敏度和高选择性检测。通过采用先进的材料合成技术和全面的表征手段，深入探讨了Co₃O₄ : Fe₂O₃异质结的微观结构和电化学性能，揭示了其在多巴胺检测中的潜在机制，为电化学传感器的设计和应用开辟了新的道路。随着进一步的研究和优化，这些纳米复合材料有望在临床诊断和生物医学研究中发挥重要作用。

原文信息

Khan, M.; Abid, K.; Ferlazzo, A.; Bressi, V.; Espro, C.; Hussain, M.; Foti, A.; Gucciardi, P.G.; Neri, G. A Sensitive and Selective Non-Enzymatic Dopamine Sensor Based on Nanostructured Co₃O₄-Fe₂O₃ Heterojunctions. Chemosensors 2023, 11, 379. https://doi.org/10.3390/chemosensors11070379

Chemosensors 期刊介绍

期刊范围涵盖化学传感理论；机理和检测原理；开发、制造技术；化学分析方法在食品、环境监测、医药、制药、工业、农业等方面的应用。

• 2023 Impact Factor: 3.7
• 2023 CiteScore: 5.0