Cobalt Phosphide (Co2P) dengan Aktivitas Elektrokatalitik Terkemuka Dirancang untuk Bioanalisis Hidrogen Peroksida Tanpa Enzim yang Sensitif dan Selektif

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi Co₂ P NP

Struktur kristal Co₂ P NP dikonfirmasi dengan pengukuran XRD. Gambar 1a menunjukkan pola XRD Co₂ Sampel P disiapkan pada suhu 160, 200, dan 240 °C selama 12 jam. Rekan₂ Sampel P yang disiapkan pada 200 °C menunjukkan puncak difraksi pada sekitar 40,7 °, 40,9 °, 52,0 ° dan 56,2 ° yang sesuai dengan bidang difraksi karakteristik pada (121), (201), (002) dan (320) untuk fase ortorombik dari Co₂ P (JCPDS no. 32-0306). Ketika suhu bervariasi dari 160 hingga 200 °C, intensitas puncak difraksi meningkat dan puncak menjadi lebih sempit dan lebih tajam, menunjukkan bahwa produk memiliki kristalinitas yang lebih tinggi pada 200 °C. Namun, ketika suhu mencapai 240 °C, beberapa pengotor terbentuk dan puncak difraksi pada 29,7° dikaitkan dengan bidang difraksi pada (-222) Co(PO₃ )₂ (JCPDS no. 27-1120). Pengaruh waktu sintetis pada preparasi Co₂ P di bawah 200 °C ditunjukkan pada File tambahan 1:Gbr. S1. Ketika durasi waktu dikontrol dalam 12 jam, Co₂ . yang diperoleh P NP menampilkan nilai lebar penuh terendah pada setengah maksimum (121) puncak, menunjukkan kristalinitas yang lebih baik. Selain itu, tidak ada pengotor dalam sampel ketika waktu reaksi bervariasi dari 6 hingga 24 jam. Menurut rumus Scherrer, ukuran butir yang dihitung dari Co₂ NP P yang disiapkan pada 200 °C selama 12 jam adalah 14,2 nm.

a Pola XRD Co₂ P NP disiapkan pada suhu yang berbeda selama 12 jam. b Gambar mikroskopis elektron transmisi dan gambar mikroskopis elektron transmisi resolusi tinggi (inset) Co₂ P NP. Spektrum XPS dari Co₂ P di c Rekan 2p wilayah dan d P 2p wilayah

Morfologi Co₂ P NP dinilai dengan pengukuran TEM. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, produk yang disiapkan pada suhu 200 °C terdiri dari nanopartikel tidak beraturan dengan diameter sekitar 10-20 nm dan dua pinggiran kisi dapat dilihat dengan jelas pada gambar TEM (HRTEM) resolusi tinggi (sisipan pada Gambar. 1b). Jarak antara bidang tetangga adalah 0,22 nm, sesuai dengan (121) segi Co₂ P, yang selanjutnya menegaskan bahwa pembentukan TMP adalah Co₂ P.

Teknik XPS digunakan dalam menganalisis komposisi kimia pada permukaan Co₂ P. File tambahan 1:Gambar. S2 menunjukkan spektrum survei XPS Co₂ Elemen P. Co, P, dan O terdeteksi dalam sampel, memastikan keberadaan Co₂ P dan beberapa produk teroksidasi. Spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDX) dari Co₂ P (File tambahan 1:Gbr. S3) selanjutnya menegaskan koeksistensi tiga elemen (Co, P, O) dalam sampel. Spektrum XPS resolusi tinggi dari Co 2p dan P 2p masing-masing ditunjukkan pada Gambar 1c, d. Dalam spektrum Co 2p, puncak pada 781,1 dan 797,6 eV dapat dianggap berasal dari energi ikat (BEs) Co ²⁺ 2p _3/2 dan Co ²⁺ 2p _1/2 , masing-masing [26, 36]. Puncak pada 786,0 dan 803,1 eV adalah dua puncak satelit yang terguncang. Co 2p BE sebesar 778,2 eV bergeser secara positif dari Co logam (777,9 eV), yang menunjukkan bahwa Co dalam Co₂ P memiliki muatan positif parsial (δ ⁺ ) dengan nilai kecil (0 < δ < 2) [37]. Sebaliknya, P 2p BE sebesar 129,4 eV bergeser negatif dari unsur P (130,2 eV) sehingga P memiliki muatan negatif parsial (δ ⁻ ) di Co₂ P. Perubahan BE pada unsur Co dan P dibandingkan dengan zat dasarnya masing-masing menunjukkan bahwa arah perpindahan rapat elektron pada Co₂ P adalah dari Co ke P [38]. Oksidasi superfisial Co₂ P menghasilkan beberapa spesies P teroksidasi dalam sampel. Oleh karena itu, puncak pada 133,2 eV dalam rentang BE tinggi ditetapkan ke oksida [39].

Deteksi Elektrokimia H₂ O₂ di Co₂ Elektroda P/ITO

Untuk menyelidiki aktivitas elektrokatalitik Co₂ P NP di H₂ O₂ reduksi, kami merancang H₂ non non-enzimatik O₂ elektroda dengan drop-casting Co₂ Suspensi P NP pada permukaan ITO yang telanjang. Gambar 2a menunjukkan kurva CV dari ITO dan Co₂ bare yang telanjang P/ITO dalam 0,1 M PBS pada pH 7,4 dengan dan tanpa 5,0 mM H₂ O₂ , masing-masing. Garis putus-putus menunjukkan bahwa respons ITO telanjang terhadap H₂ O₂ reduksi diabaikan. Namun, Co₂ Elektroda P/ITO menunjukkan puncak reduksi yang luar biasa pada  0,5 V dengan adanya H₂ O₂ , yang menunjukkan aktivitas elektrokatalitik yang menonjol dari Co₂ P NP menuju H₂ O₂ pengurangan. Gambar 2b menyajikan kurva CV Co₂ P/ITO dengan kecepatan pemindaian yang berbeda (dari 30 hingga 100 mV s ⁻¹ ) dengan 2,5 mM H₂ O₂ . Saat meningkatkan laju pemindaian, arus puncak reduksi meningkat dan potensi puncak bergeser ke sisi potensial yang lebih negatif, yang menunjukkan penurunan H₂ O₂ di Co₂ P/ITO adalah reaksi ireversibel. Kurva kalibrasi yang sesuai (inset, Gbr. 2b) menunjukkan bahwa rapat arus puncak reduksi meningkat secara linier sebanding dengan laju pemindaian, menunjukkan bahwa reduksi elektrokimia H₂ O₂ di permukaan Co₂ Elektroda P/ITO adalah proses yang dikendalikan permukaan [40].

a Kurva CV telanjang ITO dan Co₂ Elektroda P/ITO dalam 0,1 M PBS dengan dan tanpa 5,0 mM H₂ O₂ pada kecepatan pemindaian 100 mV s ⁻¹ . b Kurva CV Co₂ Elektroda P/ITO dalam 2,5 mM H₂ O₂ dengan kecepatan pemindaian dari 30 hingga 100 mV s ⁻¹ . Inset:Plot yang sesuai dari arus versus laju pemindaian. c Respons amperometrik Co₂ Elektroda P/ITO dengan penambahan H₂ O₂ dalam 0,1 M PBS. d Kurva kalibrasi arus tunak versus konsentrasi H₂ O₂

Gambar 2c, d menunjukkan respons amperometrik dan kurva kalibrasi Co₂ Elektroda P/ITO setelah penambahan H₂ O₂ ke dalam PBS 0,1 M pada  0,5 V sambil diaduk. Rekan₂ Elektroda P/ITO menunjukkan respons yang cepat terhadap penambahan H₂ O₂ dan mencapai arus kondisi tunak dalam 5 s. Kurva kalibrasi pada Gambar. 2d menunjukkan bahwa transduser menampilkan rentang multi-linear H₂ O₂ konsentrasi 0,001 hingga 1,0 mM, 1,0–5,0 mM dan 5,0–10,0 mM. Sensitivitas sensor berubah dengan meningkatnya konsentrasi H₂ O₂ , karena perubahan kinetika reduksi elektrokatalitik H₂ O₂ pada permukaan elektroda. Menurut laporan sebelumnya, langkah penentuan tingkat H₂ O₂ reduksi didominasi oleh H₂ O₂ adsorpsi pada konsentrasi rendah, sedangkan aktivasi H₂ O₂ merupakan penentu utama pada konsentrasi tinggi. Di wilayah tengah, kinetika reduksi H₂ O₂ dikendalikan oleh adsorpsi dan aktivasi pada waktu yang sama [10]. Banyak analis akan menyerap di permukaan Co₂ P dan menutupi situs aktif dalam konsentrasi tinggi, yang menyebabkan penurunan sensitivitas [41].

Perbandingan pada H₂ O₂ merasakan pertunjukan Co₂ . yang telah disiapkan Sampel P pada berbagai suhu dan waktu reaksi ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S4, S5 dan Tabel S1, menunjukkan bahwa Co₂ Sampel P yang disiapkan pada 200 °C selama 12 jam menampilkan H₂ . terbaik O₂ pertunjukan penginderaan. Ketika suhu reaksi dinaikkan menjadi 240 °C, Co(PO₃ . yang terbentuk )₂ di Co₂ P dapat dianggap sebagai pengotor. Untuk lebih memperjelas pengaruh Co(PO₃ )₂ pada H₂ O₂ deteksi, sifat elektrokimia Co(PO₃ )₂ diselidiki. Seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar. S6, Co(PO₃ )₂ menampilkan respons elektrokimia yang dapat diabaikan terhadap H₂ O₂ dan konduktivitasnya lebih rendah daripada Co₂ P, yang menolak sinyal Co₂ current saat ini P/ITO dalam uji amperometrik. Oleh karena itu, kemurnian yang lebih tinggi dan kristalinitas yang lebih baik dari Co₂ Sampel P dapat berkontribusi pada peningkatan kinerja penginderaan. Jadi, kami memilih Co₂ Sampel P disiapkan pada 200 °C dan 12 jam sebagai H₂ . terbaik O₂ bahan penginderaan. Kalibrasi I –t kurva juga menunjukkan hubungan linier yang baik dalam konsentrasi 1,0–50 μM, kisaran fisiologis H₂ O₂ konsentrasi dalam biosistem (Gbr. S7) [28], yang dapat membantu untuk meningkatkan kemungkinan aplikasi praktis dari sensor ini. Selain itu, batas deteksi (LOD) dari H₂ O₂ sensor dapat dihitung menjadi 0,65 μM pada rasio signal-to-noise 3. Dibandingkan dengan H₂ yang dilaporkan sebelumnya O₂ sensor, kinerja elektrokimia komprehensif Co₂ our kami Transduser P/ITO lebih unggul daripada transduser dengan sensitivitas yang baik, jangkauan linier dan LOD, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.

Setelah mendeteksi 1,0 mM H₂ O₂ berulang kali selama 35 kali (Gbr. 3a, b), spektrum XPS di Co 2p dan P 2p wilayah Co₂ P dianalisis untuk menyelidiki lebih lanjut mekanisme penginderaan. Tidak ada perubahan signifikan pada posisi puncak di P 2p wilayah sebelum dan sesudah H₂ O₂ deteksi. Namun, puncak pada 778,2 dan 793,0 eV di Co 2p spektrum menghilang setelah beberapa pengukuran. Karena puncak pada 778,2 eV menunjukkan adanya spesies Co yang tereduksi di Co₂ Sampel P [37], hilangnya kedua puncak ini menunjukkan bahwa spesies Co tereduksi dengan valensi rendah pada Co₂ P dapat dioksidasi oleh H₂ O₂ selama proses deteksi, terutama dengan konsentrasi H₂ high yang tinggi O₂ . Puncak sisa di Co 2p region (782.1 dan 798.3 eV) dikaitkan dengan Co ²⁺ 2p _3/2 dan Co ²⁺ 2p _1/2 , masing-masing, menunjukkan keberadaan eksklusif spesies Co(II) di Co₂ P setelah beberapa pengukuran. Menurut laporan sebelumnya tentang pemanfaatan elektrokatalis berbasis kobalt di H₂ O₂ deteksi, Co ²⁺ spesies ditunjukkan sebagai situs aktif katalitik untuk H₂ O₂ pengurangan [46,47,48]. Secara umum, reduksi elektrokimia pada H₂ O₂ melewati dua langkah di PBS [49, 50], seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Perbandingan spektrum XPS di a Rekan 2p wilayah dan b P 2p wilayah Co₂ P sebelum dan sesudah deteksi

Pada langkah pertama, H₂ O₂ memperoleh elektron untuk membentuk OH yang teradsorpsi ⁻ (OH_iklan ). Saat OH_iklan intermediate memperoleh elektron tambahan, produk reduksi akhir dari H₂ O₂ , H₂ O, dihasilkan. Sebagai potensial redoks dari H₂ O₂ /H₂ O lebih tinggi dari Co ³⁺ /Co ²⁺ , spesies Co(II) di Co₂ P dapat dioksidasi menjadi Co(III) dalam proses transfer elektron dan H₂ O₂ dikurangi menjadi H₂ O secara ireversibel. Selama pengujian amperometrik, bias yang diterapkan adalah  0,5 V versus Ag/AgCl (sama dengan 0,14 V vs. NHE), yang lebih rendah dari potensial redoks standar Co ³⁺ /Co ²⁺ . Akibatnya, Co(III) yang teroksidasi dapat direduksi menjadi Co(II) dan situs aktif katalitik Co(II) diregenerasi kembali. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa siklus katalitik spesies Co(II) berlangsung selama deteksi elektrokimia H₂ O₂ dan spesies Co tereduksi dengan valensi rendah dioksidasi oleh H₂ O₂ setelah pengukuran berulang.

Selektivitas, Stabilitas, Reproduksibilitas, dan Pengulangan Co₂ Elektroda P/ITO

Kinerja anti-interferensi adalah properti penting lainnya dari biosensor. Nitrogen dengan kemurnian tinggi digunakan untuk menghindari pengaruh oksigen terlarut dalam larutan karena oksigen dapat direduksi pada potensial yang sama yang diterapkan dalam uji amperometrik [51]. Membandingkan kurva CV Co₂ P/ITO dalam 0,1 M PBS dengan atau tanpa pembersihan nitrogen, potensi reduksi dan respons saat ini sebesar 2,5 mM H₂ O₂ serupa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. S8, yang oleh karena itu menunjukkan bahwa gangguan oksigen terlarut dapat diabaikan. Selektivitas Co₂ P/ITO juga diuji dengan zat umum dan molekul kecil lainnya dalam cairan tubuh, seperti beberapa garam anorganik, sakarida, asam amino dan biomolekul reduktif. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, respons saat ini setelah menambahkan interferensi di atas dapat diabaikan dibandingkan dengan respons 1,0 mM H₂ O₂ . Karena kedua atom O dari H₂ O₂ dapat terikat dengan satu atau dua atom Co [52], H₂ O₂ molekul secara kimiawi akan mengadsorpsi pada spesies Co(II) di Co₂ P secara khusus. Selain itu, interferensi dari oksidasi sembarangan dari beberapa senyawa reduktif dalam sampel biologis nyata pada potensi tinggi juga dapat dikurangi secara signifikan pada potensi bias yang lebih rendah [53]. Oleh karena itu, selektivitas Co₂ . yang menguntungkan P menuju H₂ O₂ terutama diuntungkan oleh spesies Co(II) sebagai situs adsorpsi spesifik dan potensi bias negatif yang diterapkan selama proses penginderaan.

a Respons amperometrik Co₂ Elektroda P/ITO dengan penambahan 1 mM H₂ O₂ dan spesies pengganggu lainnya (10 mM NaCl, KCl, Glu, Fru, urea, L-Gly, L-Arg, L-Lys, AA; 1 mM DA, UA; 0,5 mM APAP) dalam 0,1 M PBS. b Arus puncak katodik dari sepuluh kurva pemindaian CV berturut-turut dalam 50 μM H₂ O₂ . c Reproduksibilitas enam Co₂ Elektroda P/ITO untuk mendeteksi 1,0 mM H₂ O₂ . d Pengulangan Co₂ Elektroda P/ITO untuk mendeteksi 1,0 mM H₂ O₂ delapan kali

Selain itu, stabilitas, reproduktifitas, dan pengulangan Co₂ Transduser P/ITO juga dievaluasi. Arus puncak reduksi dari sepuluh kurva pemindaian CV berturut-turut dalam 50 μM H₂ O₂ ditunjukkan pada Gambar. 4b. Setelah sepuluh siklus, arus puncak elektroda hanya turun 2,7%. Selain itu, sensor tetap sekitar 98,2% dari respons arus awalnya setelah disimpan di udara selama satu bulan (Gbr. S9), menunjukkan stabilitas pendeteksian yang ideal dan daya tahan jangka panjang yang luar biasa. Reproduksibilitas elektroda-ke-elektroda diselidiki dengan menghitung deviasi standar relatif (RSD) dari H₂ O₂ tanggapan saat ini. Untuk menghilangkan potensi kesalahan dari fabrikasi elektroda sejauh mungkin, kerapatan arus tunak dengan adanya H₂ O₂ dikurangi dengan sinyal latar belakang awal dari masing-masing elektroda dan nilai perbedaan yang diperoleh dianggap sebagai respons elektrokimia dari masing-masing elektroda. Enam Co₂ Elektroda P/ITO dibuat di bawah kondisi yang sama untuk eksperimen terkontrol dan RSD respons saat ini adalah 1,24%, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c, menunjukkan reproduktifitas Co₂ yang relatif sangat baik. P/ITO. Sementara itu, pengulangan diukur dalam satu elektroda dengan mendeteksi 1,0 mM H₂ O₂ delapan kali, dan RSD 1,14% tercapai (Gbr. 4d). Hasil di atas menggambarkan stabilitas yang memuaskan, reproduktifitas dan pengulangan elektroda untuk deteksi elektrokimia non-enzimatik H₂ O₂ .