【分析】Chem. Eng. J.：3D支撑石墨烯气凝胶上的原位生长COFs用于电化学检测活细胞释放的NO
内源性一氧化氮（NO）作为重要的自由基信使，在神经信号传导、血管舒张、神经传递、血压调节和免疫反应等病理和生理过程中起着重要作用。监测从细胞释放的NO的水平可以帮助我们了解生物体和相关疾病的病理和生理情况。由于NO具有浓度低（5 nM–0.1 mM）、扩散迅速、半衰期短（约3–30 s）、易与氧气反应等特点，对复杂生物系统中存在的NO分子进行实时分析有待进一步发展。共价有机骨架/聚合物（COFs/COPs）能够通过共价键将有机单元精细地集成到具有原子精度的有序结构中。为了克服扩散受限过程，同时保持原子精确可控的活性位点，将连续3D互连网络组成的石墨烯气凝胶（GA）用作支架来生长或装载各种电催化材料成为了新的选择。其中，石墨烯负载的氮配位金属原子提供了多种活性位点，确保了大的比表面积和有效的传递过程，为金属原子提供了稳定的基质，并同时调节了分子间相互作用的高电子密度。3D GA的大孔通道网络不仅可以有效地促进电子的传输和电解质的扩散，而且还为活细胞的生长提供了理想的3D矩阵。受上述启发，COFs的良好催化能力与GA的大孔通道网络的结合将有效增强电化学催化能力，为开发高性能实时NO传感装置提供了可行的途径。
近期，济南大学化学化工学院张彦和山东省医学科学院药物研究所王延风合作报道了通过将具有高特异性电催化作用的COF-366-Fe与具有3D多孔结构的GA相结合，从而构建了一种高性能的电化学传感器，用于实时监测NO浓度（图一）。COF-366-Fe/GA在石墨烯上提供了大量原子排列的Fe-N-C中心用于电催化，并解决了与氮原子配位催化剂的活性位点无规则排列的问题。COF-366-Fe/GA中高度互连的石墨烯网络可提供高表面积以增加反应界面，大孔通道网络可实现均匀的电解质扩散和气体释放，并具有高固有电导率，可实现快速电子传输。利用这些优点，COF-366-Fe/GA在高灵敏度和宽线性范围方面显示出极好的NO催化活性，并成功地用于监测人脐静脉内皮细胞（HUVECs）分泌的NO。相关成果以“Insitu grown COFs on 3D strutted graphene aerogel for electrochemical detectionof NO released from living cells”为题发表在国际化学权威杂志Chemical Engineering Journal上（DOI: 10.1016/j.cej.2020.127559）。
图一、COF-366-Fe/GA用于电化学传感NO的示意图。
（来源：Chemical Engineering Journal）
首先，作者合成和表征了COF-366-Fe/GA（图二）。SEM和TEM表征结果展示了3D COF-366-Fe/GA的形貌，其3D多孔结构显示了微米级的互连孔，可以有效地促进电子转移和电解质扩散。均匀分散的COF-366-Fe微晶嵌入GA层上，通过HRTEM和能量色散光谱（EDS）映射图像分析证实了COF-366-Fe结构确实在GA表面成功生长。通过压汞法和BET对COF-366-Fe/GA的多孔结构进行研究，得到COF-366-Fe/GA的平均孔径约为13.7 μm，Brunauer-Emmett-Teller表面积为230.0 m2/g。高表面积和多孔结构都可以在加速电解质均匀扩散和提供更多电催化位点方面发挥关键作用。
图二、COF-366-Fe/GA的表征图。
（来源：Chemical Engineering Journal）
其次，作者评估了有效面积和电荷转移电阻（图三）。为了证明电极修饰3D COF-366-Fe/GA获得的有效面积增大，作者进行了CV测试，计算出3D COF-366-Fe/GA修饰电极的有效面积为0.11 cm-2，这是未修饰电极有效面积（0.0707 cm-2）的1.56倍。制备的3D COF-366-Fe/GA的多孔结构具有明确的互连孔，可以增强所得电极的有效面积，这对于构建实时和高度灵敏的NO电化学传感器奠定了基础。电化学阻抗谱是探索电活性系统中氧化还原探针的受限扩散过程的有效方法。通过电化学阻抗谱图分析说明了裸玻碳电极（GCE）电化学过程受扩散控制；COF-366-Fe功能化GCE，COF-366-Fe膜阻碍了氧化还原探针进入电极表面；COF-366-Fe/GA锚固GCE，COF-366-Fe/GA是一种可以有效促进表面电子传输的优良导电材料。
图三、评估有效面积和电荷转移电阻的电化学表征图。
（来源：Chemical Engineering Journal）
接着，作者研究了NO的电催化氧化和动力学（图四）。作者通过循环伏安法探索了基于COF-366-Fe/GA的传感器在各种浓度的NO溶液中的电催化氧化过程。在不存在NO的情况下，在整个电位上没有观察到明显的氧化峰；而向溶液中添加NO时，阳极氧化电流逐渐增加。阳极峰值电流会随着NO浓度的增加而相应增强，并呈现出线性相关性，这意味着制备的COF-366-Fe/GA可以用作精确测定NO分子的传感组件。在裸GCE上获得了极弱的氧化电流响应，这归因于GCE对NO氧化的不良电催化活性。COF-366-Fe对NO具有良好的催化活性，但在电极上改性后电流增强并不明显，这受限于其导电性差。3D GA修饰GCE的峰值电流密度明显大于上述电极的峰值电流密度，这表明3D GA可以有效地增强对NO的电催化性能。3D COF-366-Fe/GA修饰的GCE，氧化电流显示出明显的增加。3D COF-366-Fe/GA修饰GCE的优异电催化性能归因于COF-366-Fe与3D GA之间的协同效应，其中3D GA表面上均匀分布的COF-366-Fe诱导了更多的催化活性位点。
图四、NO的电催化氧化和动力学研究图。
（来源：Chemical Engineering Journal）
最后，作者利用该传感器检测NO（图五）。在电解质中注入等分NO，NO的瞬时电流立即出现并迅速达到稳态响应电流的90％（小于3 s），该电流短于NO的生理寿命（~5 s）。这种快速响应可归因于COF-366-Fe与GA之间的协同效应以及3D多孔结构GA所提供的出色的导电能力和催化活性。3D COF-366-Fe/GA修饰电极上氧化电流随NO浓度变化而变化，在0.18至400 μM范围内呈现良好的线性关系，灵敏度为8.8 μA‧μM-1·cm-2，检测限为30nM。作者进一步评估了3D COF-366-Fe/GA功能化平台的特异性、重现性和稳定性，根据电流响应结果，传感器对NO对具有较好的电化学性能。最后，作者将COF-366-Fe/GA修饰电极成功地用于监测人脐静脉内皮细胞分泌的NO。
图五、检测NO相关的研究图。
（来源：Chemical Engineering Journal）
小结：作者报道了基于3D支撑式COF-366-Fe/GA修饰电化学平台用于实时检测活细胞分泌的NO。COF-366-Fe/GA的独特结构不仅可以调节高度暴露的活性位点和出色的导电性，还可以提供3D多孔支撑结构。COFs精确可控的活性位点，GA优异的导电网络和多孔结构，这些使得开发的电化学生物传感器用于NO的测定具有快速响应、高灵敏度、优异的选择性和稳定性等优点。该研究为用于实时识别复杂生物系统分泌的生物分子监测提供了新的思路。