【摘要】 齐齐哈尔大学李少斌教授团队在《Analytical Chemistry》发表研究，通过一步室温合成Ce掺杂MOF-199/Ti₃C₂Tₓ MXene复合材料，实现L-色氨酸高灵敏检测。科学指南针提供DFT计算支持，助力材料设计与机制解析。

齐齐哈尔大学李少斌教授团队在《Analytical Chemistry》发表创新研究成果，通过一步室温合成法制备Ce掺杂MOF-199/Ti₃C₂Tₓ MXene纳米复合材料，成功实现L-色氨酸的高灵敏度电化学检测。科学指南针为本研究提供密度泛函理论计算支持，助力材料设计与机制解析。

 

研究背景与L-色氨酸检测挑战

L-色氨酸（L-Trp）作为人体必需氨基酸和神经递质5-羟色胺的关键前体，在维持生理功能中发挥重要作用。缺乏L-Trp会导致低蛋白血症、皮肤病、白内障和心肌纤维化等严重健康问题。

​检测技术瓶颈：​​

  • 人体无法自行合成L-Trp，完全依赖外部摄入监测

  • 现有检测方法操作复杂、设备昂贵、难以现场应用

  • 电化学技术虽具有设备简单、灵敏度高等优势，但材料性能受限

  • 单一材料体系存在催化活性位点有限、导电性不足等问题

 

创新方法：一步室温合成策略

研究团队开发绿色快速的一步室温合成方法，成功制备Ce掺杂MOF-199/Ti₃C₂Tₓ MXene纳米复合材料，突破传统材料制备限制。

​技术突破要点：​​

  • 室温条件下实现MOF与MXene的高效复合，避免高温能耗

  • Ce掺杂优化MOF电子结构，增强对L-Trp的吸附能力

  • MXene引入显著提升复合材料导电性和电子转移效率

  • 一体化合成工艺简化制备流程，提高材料一致性

图 Ce-doped MOF-199/Ti3C2TX传感器的制备(a)和L-Trp的电化学氧化过程(b)

 

材料设计与结构表征

通过精确控制Ce掺杂量和MXene复合比例，成功构建具有优异性能的纳米复合材料体系。

​结构特征验证：​​

  • Ce掺杂保持MOF-199晶体结构，未形成Ce-MOF杂相

  • SEM显示八面体结构完好，Ce掺杂未改变表面形貌

  • MXene表面均匀分散Ce-doped MOF-199，避免聚集现象

  • 元素映射证实C、O、Cu、Ce、Ti元素均匀分布

图 SEM图像显示MOF-199(a)，Ce-doped MOF-199(b)和Ce-doped MOF-199/Ti3C2TX (c)，Ce-doped MOF-199/Ti3C2TX对应的元素映射图像(d-i)。

 

理论计算与机制解析

密度泛函理论计算深入揭示Ce掺杂和MXene复合对材料电子结构和吸附性能的增强机制。

​计算研究发现：​​

  • Ce掺杂使MOF-199带隙从2.28eV降至0.45eV，显著提升导电性

  • Ce-doped MOF-199对L-Trp吸附能(-1.25eV)优于MOF-199(-0.74eV)

  • MXene引入进一步降低吸附能至-5.21eV，增强吸附能力

  • 差分电荷密度显示Ce周围电子密度增加，促进L-Trp捕获

  • 态密度分析证实MXene提升费米能级附近电子态密度

图 MOF-199(a)，Ce-doped MOF-199 (b)和Ce-doped MOF-199/Ti3C2TX (c)的态密度。计算了L-Trp在MOF-199 (d)，Ce-doped MOF-199 (e)和Ce-doped MOF-199/Ti3C2TX (f)中的吸附能。MOF-199 (g)，Ce-doped MOF-199 (h)和Ce-doped MOF-199/Ti3C2TX (i)吸附L-Trp的差分电荷密度 (黄色/蓝色区域：电子积累/耗尽)。

 

电化学性能与检测能力

系统评估复合材料电化学检测性能，展现出卓越的灵敏度、选择性和稳定性。

​性能优异表现：​​

  • 线性范围0.5-156.5μM，覆盖生理相关浓度区间

  • 检测限低至0.18μM (S/N=3)，满足痕量检测需求

  • 回归方程Ipa=0.030CL-Trp+0.365(R²=0.987)，线性关系良好

  • 抗干扰能力强，耐受无机盐离子和生物分子干扰

  • 重现性、重复性和长期稳定性优异，适用实际应用

图3 不同L-Trp浓度的Ce-doped MOF-199/Ti3C2TX在0.1 M PBS (pH = 7.0)中的DPV曲线(a)，峰值电流与L-Trp浓度的关系曲线(b)，以及Ce-doped MOF-199/Ti3C2TX的抗干扰能力(c)。

 

实际应用与验证

将传感器应用于真实样品检测，验证其在复杂基质中的可靠性和准确性。

​应用验证结果：​​

  • 成功检测牛奶中L-Trp含量，回收率符合要求

  • 在复杂食品基质中保持高选择性和准确性

  • 实际样品检测结果与标准方法吻合良好

  • 证明传感器在真实环境中的实用价值

 

总结与展望

本研究通过一步室温合成策略成功开发高性能电化学传感器，为L-色氨酸检测提供创新解决方案。

​创新价值总结：​​

  • Ce掺杂与MXene复合协同增强材料电催化活性

  • 室温绿色合成方法降低能耗和制备成本

  • 理论计算指导材料设计，优化电子结构和吸附性能

​应用前景：​​

  • 拓展至其他氨基酸和生物分子检测领域

  • 推动电化学传感器在食品安全和医疗诊断中的应用

  • 为多功能复合材料设计提供新思路和方法论

论文信息：Analytical Chemistry, 2025
DOI：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c06642

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