MOFs基電化學(xué)傳感器及其重金屬離子檢測應(yīng)用研究進(jìn)展

背景介紹重金屬離子是環(huán)境（土壤、空氣、水）主要污染物之一，建立有效的方法檢測重金屬離子至關(guān)重要。傳感檢測技術(shù)具有靈敏度高、響應(yīng)快速、操作簡單、便攜、成本低等特點(diǎn)，是具有廣闊應(yīng)用前景的檢測技術(shù)之一。修飾材料的選擇和設(shè)計是影響傳感器性能的關(guān)鍵。金屬有機(jī)骨架（MOFs）材料在電化學(xué)傳感方面具有多方面優(yōu)勢特性，MOFs中UiO、MIL、ZIF等材料與碳納米材料、金屬納米材料和導(dǎo)電聚合物電化學(xué)傳感器在檢測重金屬離子方面展現(xiàn)出優(yōu)異的檢測靈敏度。文章亮點(diǎn)1.綜述了基于MOFs及其復(fù)合材料的電化學(xué)傳感器的構(gòu)建及其在重金屬離子檢測中的應(yīng)用研究進(jìn)展；2.探討了MOF/碳納米材料、MOF/金屬納米材料和MOF/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料應(yīng)用于電化學(xué)傳感器的優(yōu)勢特性；3.

詳細(xì)討論了MOF基電化學(xué)傳感器在Pb2+、Hg2+和Gd2+等重金屬離子檢測方面的應(yīng)用研究進(jìn)展。內(nèi)容介紹1

MOFs1.1

組成和結(jié)構(gòu)MOFs是由有機(jī)配體連接的金屬氧簇構(gòu)筑的一類多孔無機(jī)-有機(jī)雜化材料。MOFs的三個主要部分是框架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無機(jī)金屬中心和有機(jī)配體。圖2展示了幾種多孔MOFs的結(jié)構(gòu)。通過使用特定的反應(yīng)基團(tuán)，例如，手性或氧化還原中心，將功能性納入到MOFs連接體中，可以使整個材料具有目標(biāo)特性。圖2

幾種典型的MOFs結(jié)構(gòu)Fig.2

SeveraltypicalMOFsstructures1.2

種類和命名“MOFs”是金屬有機(jī)框架的簡稱，通常用作一組化合物的總稱。當(dāng)“MOFs”后面跟著序號時，則表示一個特定的金屬有機(jī)框架，例如，MOF-101代表Cu2(BDC-Br)2(H2O)2，MOF-177代表Zn4O(BTB)2（其中，BDC為苯二甲酸二甲酯，BTB為1,3,5-苯三苯甲酸）。1.3

合成制備方法合成方法和參數(shù)，如溫度、反應(yīng)時間、壓力、pH和溶劑等是影響MOFs結(jié)構(gòu)和性能的主要因素。目前研究者開發(fā)了多種合成方法，包括水熱（溶劑熱）法、微波輔助加熱法、超聲波/聲化學(xué)法、電化學(xué)法和機(jī)械力化學(xué)法等，可以根據(jù)設(shè)計和需求的結(jié)構(gòu)和特征來制備MOFs。2

MOFs基復(fù)合材料電化學(xué)傳感器2.1

MOFs/碳納米材料碳基納米材料因其結(jié)構(gòu)多樣性、優(yōu)良的高導(dǎo)電性、高機(jī)械強(qiáng)度以及良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性等，成為消除MOFs缺陷的有前途的候選復(fù)合功能材料。開發(fā)了一種基于GA和MOFs的復(fù)合材料電化學(xué)傳感器，用于同時檢測水溶液中的多種重金屬離子。合成過程如圖3所示。圖3

GA-UiO-66-NH2復(fù)合材料的合成及修飾電極檢測重金屬離子示意圖Fig.3

SchematicdiagramofthesynthesisprocessofGA-UiO-66-NH2

compositeandthedetectionofheavymetalsbythemodifiedelectrode2.2

MOFs/金屬納米顆粒金屬納米顆粒（MNPs）具有高導(dǎo)電性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、多功能催化活性。這些特性使MNPs成為優(yōu)良的電極修飾候選材料，可以實(shí)現(xiàn)有效的電催化轉(zhuǎn)化和傳感[36]。Kwon等[38]開發(fā)了使用銀金屬-有機(jī)框架（Ag@MOFs）納米粒子檢測Cu(II)和Pb(II)金屬離子的方案(圖4）。圖4

銀金屬-有機(jī)框架（Ag@MOF）納米粒子檢測Cu(II)和Pb(II)金屬離子Fig.4

Silvermetal-organicframework(Ag@MOF)nanoparticlesdetectCu(II)andPb(II)metalions2.3

MOFs/聚合物復(fù)合材料導(dǎo)電聚合物材料是指在其主鏈上具有π電子共軛體系的一類有機(jī)材料，可通過單雙鍵的交替作用實(shí)現(xiàn)高效率的電荷轉(zhuǎn)移。常見的導(dǎo)電聚合物有聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩以及導(dǎo)電性分子印跡聚合物等。3

結(jié)論與展望近年來，環(huán)境保護(hù)已成為全球亟待解決的關(guān)鍵問題。環(huán)境保護(hù)的重要性推動了污染物檢測材料和技術(shù)的快速發(fā)展，由于MOFs具有大的比表面積、可調(diào)節(jié)孔隙率、高催化能力和可調(diào)節(jié)化學(xué)功能化等獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，是重金屬檢測的優(yōu)良傳感材料。自MOFs被發(fā)現(xiàn)以來，穩(wěn)定性一直是其實(shí)際應(yīng)用的受限問題。金屬團(tuán)簇或金屬離子與有機(jī)配體之間的配位鍵是穩(wěn)定性的決定性因素。MOFs的整個框架由有機(jī)配體的協(xié)調(diào)紐帶支撐，此外，MOFs節(jié)點(diǎn)基本由有機(jī)連接物（如氮、氧等）和過渡金屬組成，對水解反應(yīng)具有親和力，這可能是導(dǎo)致結(jié)合位點(diǎn)高度還原和框架坍塌的內(nèi)在因素。在最小化基質(zhì)效應(yīng)、小型化、連續(xù)實(shí)時檢測能力、便攜性、驗(yàn)證因子和具有競爭力的成本等方面MOFs基電化學(xué)傳感器還需要更多的發(fā)展，這對于生產(chǎn)用于處理大規(guī)