本发明属于多金属氧酸盐化学材料制备技术领域，具体涉及一种二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料及其制备方法和在电化学生物传感领域的应用。
背景技术：
近年来，随着人们在化学分析、医疗诊断、卫生保健以及环境监测等方面对快速和超灵敏检测生物分子技术不断增长的需求，设计和制备性能优良的电化学生物传感器获得了极大的关注，这与它们价格低廉、操作方便、重现性好等优点密不可分（参见s.mao,j.chang,h.pu,etal.chem.soc.rev.2017,46,6872–6904）。众所周知，电化学生物传感器的性能极大地依赖于电极材料的物理、化学性质。因此，寻找具有优良的生物相容性、高稳定性、环境友好性以及优良导电性的电极材料是电化学传感领域的一大难题。到目前为止，很多由聚合物薄膜、金属纳米簇、介孔碳材料以及金属配合物修饰的电极材料已经被广泛应用，并且展现出高的灵敏性和低的检测限（参见d.kang,s.sun,m.kurnik,etal.j.am.chem.soc.2017,139,12113–12116）。这些电极材料最重要的一个特点就是：随着温度、离子强度、ph值的改变，这些电极材料依然可以保持足够的稳定性（参见o.a.sadik,s.k.mwilu,a.aluoch,electrochim.acta2010,55,4287–4295）。然而，能够在水相，尤其是在酸、碱条件下仍能保持稳定的多金属氧酸盐材料却十分少见。因此，持续探索并发现由高稳定性的多金属氧酸盐材料修饰的电化学生物传感器是一个极富挑战性的课题。
作为一类典型的阴离子型的过渡金属氧簇，多金属氧酸盐由于其可调控的形状和尺寸、富氧表面、丰富的电子性质以及高的负电荷已经吸引了人们广泛的研究兴趣（参见l.huang,s.-s.wang,j.-w.zhao,etal,j.am.chem.soc.2014,136,7637−7642）。在多金属氧酸盐化学发展将近两个世纪以来，大量的多金属氧酸盐基材料在催化、磁性、药物和材料科学领域已展现出极大的应用前景（参见p.putaj,f.lefebvre,coord.chem.rev.2011,255,1642−1685）。多金属氧酸盐基材料最重要的一个特点就是：在不改变自身结构的情况下，它们可以经历可逆的、快速的、逐步的多电子氧化还原反应生成混合价态的物种（参见s.liu,z.tang,z.shi,etal,langmuir1999,15,7268–7275），这使得它们在电化学、光催化领域十分引人注目（参见x.-b.han,z.-m.zhang,t.zhang,etal.j.am.chem.soc.2014,136,5359–5366）。因此，设计超灵敏的多金属氧酸盐基电化学生物传感器并实现对生物大分子的快速精准检测是十分必要的。迄今，几例具有孤立结构的keggin/dawson型多金属氧酸盐已经被修饰到一些电极的表面（参见c.zhou,s.li,w.zhu,etal.,electrochim.acta2013,113,454–463）。尽管其中一些已经被用于检测像多巴胺、叶酸、l-酪氨酸、l-色氨酸这样的小分子化合物（参见z.wang,q.han,j.xia,etal.j.electroanal.chem.2014,726,107–111），但是目前能用于检测像蛋白质、核酸以及dna这样的生物大分子的多金属氧酸盐生物传感器还未见报道。在该研究领域中，主要存在的问题在于孤立结构的多金属氧酸盐材料在反应体系中具有好的溶解性，使得检测过程中的活性中心遭到破坏，进而呈现出较差的电化学循环稳定性（参见j.-s.qin,d.-y.du,w.guan,etal.j.am.chem.soc.2015,137,7169–7177）。因此，发展由高稳定性的多金属氧酸盐框架材料修饰的电化学传感器并应用于生物大分子检测是一项极具挑战性的研究工作。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种稳定的二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料及其制备方法和在电化学生物传感领域的应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料，其化学式为：[dy(h2o)6]2[fe4(h2l)4(b-β-sbw9o33)2]∙50h2o，式中，h2l=2,5-吡啶二甲酸。
上述二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料的制备方法，其包括如下步骤：
在搅拌条件下将na9[b-α-sbw9o33]∙19.5h2o、dy(no3)3∙6h2o以及2,5-吡啶二甲酸溶解到蒸馏水中，混匀后，将反应体系的ph调到1－3，然后加入fecl3∙6h2o并搅拌反应0.5－1h，将反应体系的ph再次调到1－3，再搅拌反应0.5－1h，最后置于反应釜中80±5℃加热4－6天，取出，冷却至室温，经过滤、洗涤、干燥，即得黄绿色块状的目标框架材料。
具体的，所述na9[b-α-sbw9o33]∙19.5h2o、dy(no3)3∙6h2o、2,5-吡啶二甲酸、fecl3∙6h2o和蒸馏水的摩尔比为0.210–0.252︰0.170–0.200︰0.957︰0.520–0.580︰555.1。
本发明公开了上述二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料在制备电极材料方面的应用，尤其是在制备电化学生物传感器中的应用。
进一步的，所述二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料可用作电化学生物传感器中的电极材料，实现人体血清中黏蛋白含量的精准检测。
本发明中，选择原位形成的具有电化学活性的四核铁取代的krebs类型的[fe4(h2o)10(b-β-sbw9o33)2]6–多金属氧酸盐阴离子作为理想的构筑块来制备稳定的二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料。这是因为该类构筑块上高活性的表面氧原子以及不稳定的水配体在反应过程中可以与高度亲氧性的镧系离子发生配位和被刚性羧酸配体的羧基氧原子而取代。借助镧系离子和羧酸配体共同作用，以四核铁取代的krebs类型的[fe4(h2o)10(b-β-sbw9o33)2]6–多金属氧酸盐阴离子作为结构模板来构筑三维二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料。此外，本发明利用水热反应技术来提高体系中各种组分的反应活性，进而形成能够在酸碱条件下稳定存在的异金属锑钨酸盐框架材料，并应用于电极表面的修饰，从而实现生物大分子检测。本发明中，主要尝试制备异金属锑钨酸盐框架材料以及适配体共同修饰的金工作电极，渴望借助金电极极好的导电性、异金属锑钨酸盐框架材料的氧化还原活性以及适配体优良的识别能力实现对生物大分子的精准灵敏检测。
本发明二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料修饰的电化学传感器可以实现对黏蛋白的精确、灵敏检测，这对多金属氧酸盐的电化学生物传感行为的研究具有重要意义，为多金属氧酸盐异金属框架材料作为电极材料并应用于生物大分子检测的可行性提供了实验依据。和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1）本发明提供的二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料的晶体结构特征可通过x-射线单晶衍射准确确定；
2）本发明提供的二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料采用简单的分步组装方法得到，制备成本较低，有潜在的应用前景；
3）本发明提供的二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料可被用作电极材料并应用于电化学生物传感领域，实现对黏蛋白的精准灵敏检测；
4）本发明提供的二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料为发现并制备其它多金属氧酸盐基电极材料提供实验依据和理论参考。
附图说明
图1(a)二元有机羧酸参与的异金属锑钨酸盐框架材料的分子结构单元图，(b)四核铁簇的配位模式图，(c)六元环形结构图，(d)六元环形结构的椅式构型，(e)超分子纳米管的结构图，(f-h)三重手性螺旋链的结构示意图，(i)二元有机羧酸参与的异金属锑钨酸盐框架材料的三维框架结构，(j)二元有机羧酸参与的异金属锑钨酸盐框架材料的三维拓扑结构；
图2二元有机羧酸参与的异金属锑钨酸盐框架材料的红外光谱图，显示出二元有机羧酸参与的异金属锑钨酸盐框架材料中ν(w–ot)、ν(w–ob)和ν(w–oc)、ν(sb–oa)、2,5-吡啶二甲酸及水分子的特征振动吸收带；
图3二元有机羧酸参与的异金属锑钨酸盐框架材料的热重曲线，表明失重过程主要归属于结晶水、配位水、2,5-吡啶二甲酸的失去；
图4(a)二元有机羧酸参与的异金属锑钨酸盐框架材料修饰电极的电化学交流阻抗图谱，(b)二元有机羧酸参与的异金属锑钨酸盐框架材料修饰的电极的循环伏安图谱，(c)二元有机羧酸参与的异金属锑钨酸盐框架材料修饰的电极的差分脉冲伏安图谱；(d)在不同黏蛋白浓度下apt/pom-7/ae电化学传感器的交流阻抗响应曲线；(e)在apt/pom-7/ae电化学传感器中电极电阻变化量(δrct)与黏蛋白浓度的关系；(f)apt/pom-7/ae电化学传感器对不同蛋白的选择性。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
下述实施例中，所用na9[b-α-sbw9o33]∙19.5h2o按本领域常规方法合成即可，（如可参照文献进行：m.bösing,i.loose,h.pohlmann,etal,chem.eur.j.1997,3,1232−1237）；dy(no3)3∙6h2o（购自北京华威锐科化工有限公司）。
实施例1：
一种二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料，其化学式为：[dy(h2o)6]2[fe4(h2l)4(b-β-sbw9o33)2]∙50h2o（h2l=2,5-吡啶二甲酸）。
上述二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料通过分步组装的方法得到，其制备方法具体包括如下步骤：
在搅拌条件下将0.700gna9[b-α-sbw9o33]∙19.5h2o(0.245mmol)，0.080gdy(no3)3∙6h2o(0.175mmol)以及0.160g2,5-吡啶二甲酸(0.957mmol)溶解到10ml蒸馏水（555.1mmol）中。搅拌30min后，用1mol∙l–1的hcl将反应体系的ph调到2.0，然后加入0.150gfecl3∙6h2o(0.555mmol)。搅拌30min后，用2mol∙l–1的naoh将反应体系的ph再次调到2.0，再搅拌30min，置于25ml的高压反应釜中80℃加热5天，取出，冷却至室温，经过滤，洗涤，室温干燥，即得到黄绿色块状的目标框架材料。产量：0.21g，产率：34.5%（按dy(no3)3∙6h2o计算）。
实施例2：
一种二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料，其化学式为：[dy(h2o)6]2[fe4(h2l)4(b-β-sbw9o33)2]∙50h2o，（h2l=2,5-吡啶二甲酸）。
上述二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料通过分步组装的方法得到，其制备方法具体包括如下步骤：
在搅拌条件下将0.700gna9[b-α-sbw9o33]∙19.5h2o(0.245mmol)，0.090gdy(no3)3∙6h2o(0.197mmol)以及0.160g2,5-吡啶二甲酸(0.957mmol)溶解到10ml蒸馏水（555.1mmol）中。搅拌30min后，用1mol∙l–1的hcl将反应体系的ph调到2.0，然后加入0.150gfecl3∙6h2o(0.555mmol)。搅拌30min后，用2mol∙l–1的naoh将反应体系的ph再次调到2.0，再搅拌30min，置于25ml的高压反应釜中80℃加热5天，取出，冷却至室温，经过滤，洗涤，室温干燥，即得到黄绿色块状的目标框架材料。产量：0.33g，产率：48.2%（按dy(no3)3∙6h2o计算）。
实施例3：
一种二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料，其化学式为：[dy(h2o)6]2[fe4(h2l)4(b-β-sbw9o33)2]∙50h2o，（h2l=2,5-吡啶二甲酸）。
上述二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料通过分步组装的方法得到，其制备方法具体包括如下步骤：
在搅拌条件下将0.650gna9[b-α-sbw9o33]∙19.5h2o(0.227mmol)，0.080gdy(no3)3∙6h2o(0.175mmol)以及0.160g2,5-吡啶二甲酸(0.957mmol)溶解到10ml蒸馏水（555.1mmol）中。搅拌30min后，用1mol∙l–1的hcl将反应体系的ph调到2.10，然后加入0.150gfecl3∙6h2o(0.555mmol)。搅拌30min后，用2mol∙l–1的naoh将反应体系的ph再次调到2.0，再搅拌30min，置于25ml的高压反应釜中80℃加热5天，取出，冷却至室温，经过滤，洗涤，室温干燥，即得到黄绿色块状的目标框架材料。产量：0.18g，产率：29.7%（按dy(no3)3∙6h2o计算）。
本发明采用x-射线单晶衍射技术对该二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料的晶体结构进行了测定和表征，其晶胞参数如下：
该二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料[dy(h2o)6]2[fe4(h2l)4(b-β-sbw9o33)2]∙50h2o，（h2l=2,5-吡啶二甲酸）属于六方晶系，空间群为r-3，单胞参数a=42.8411(12)å，b=42.8411(12)å，c=20.4129(12)å，α=90.00º，β=90.00º，γ=120.00º,v=32446(2)å3,z=9,r1=0.0519,wr2=0.1226。
该二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料的结构描述如下：其分子结构包含1个四核铁取代的krebs类型的[fe4(h2l)4(b-β-sbw9o33)2]6–多金属氧酸盐阴离子（图1a），2个[dy(h2o)6]3+阳离子和50个游离的水分子。虽然在反应过程中我们加入的是[b-α-sbw9o33]9–前驱体，但在目标材料中观察到的是[b-β-sbw9o33]9–构筑单元，因此该反应中应涉及[b-α-sbw9o33]9–→[b-β-sbw9o33]9–的异构化过程。这说明这种异构化作用对fe3+离子的嵌入发挥着重要作用。由于四核铁取代的krebs类型的[fe4(h2l)4(b-β-sbw9o33)2]6–多金属氧酸盐阴离子是中心对称的，因此，该结构中只有两种类型的fe3+离子，其中一种fe3+离子（fe1和fe1a）采取八面体的配位构型，该八面体配位几何是由一个氮原子，两个来自羧基的氧原子以及三个来自[b-β-sbw9o33]9–构筑块上的氧原子构成；另外一种fe3+离子（fe2和fe2a）也采取六配位模式，该八面体配位环境则是由一个氮原子，一个羧基氧原子以及四个来自[b-β-sbw9o33]9–构筑块上的氧原子构成（图1b）。值得关注的是，在该三维异金属框架材料结构中，六个[fe4(h2l)4(b-β-sbw9o33)2]6–多金属氧酸盐阴离子通过2,5-吡啶二甲酸形成了一个有机-无机杂化的六元环形结构（图1c）。在该六元环形结构中，邻近的两个多金属氧酸盐阴离子交错排列，并通过fe3+离子和2,5-吡啶二甲酸的螯合作用相连接。有趣的是，在该巨大的六元环形结构中，六个[fe4(h2l)4(b-β-sbw9o33)2]6–多金属氧酸盐阴离子以椅式方式排列，该种排列方式有助于进一步稳定整个三维异金属框架（图1d）。在c轴方向上，邻近的六元环形簇进一步通过六个[dy(h2o)6]3+阳离子堆积形成一个超分子纳米管。其中，每一个dy3+离子均采取八配位扭曲四方反棱柱几何构型。该几何构型由两个来自[b-β-sbw9o33]9–构筑块上的氧原子以及六个来自水配体上的氧原子构成。该纳米管的外径为40.23å,内径为17.71å（图1e）。更有趣的是，该纳米管可被认为由两条三重手性螺旋链沿着31螺旋轴相互交织而构成的（图1f、1g和1h）。该手性螺旋链链是由[fe4(h2l)4(b-β-sbw9o33)2]6–多金属氧酸盐阴离子、2,5-吡啶二甲酸以及[dy(h2o)6]3+阳离子相互连接而构成。据我们所知，该材料代表了首例包含三重手性螺旋链的异金属锑钨酸盐框架材料。此外，由于这两组交错的三重手性螺旋链是镜面对称的，因此该材料整体并没有显示出手性和圆二色旋光活性。在ab平面上，邻近的六元环纳米管进一步通过2,5-吡啶二甲酸和[dy(h2o)6]3+形成了一个同时包含六元孔道和三元孔道三维框架结构（图1i）。在该三维框架中，每一个[dy(h2o)6]2[fe4(h2l)4(b-β-sbw9o33)2]单元通过2,5-吡啶二甲酸以及[dy(h2o)6]3+阳离子在赤道位和极位处与邻近的8个相同单元相连。因此，利用拓扑分析法，可将每一个[dy(h2o)6]2[fe4(h2l)4(b-β-sbw9o33)2]单元视为一个八连接的节点，进而将整个三维框架简化成一个具有(36∙49∙52∙68)拓扑的三维框架（图1j）。该三维框架材料中，孔道被大量的客体水分子所填充。此外，在该三维框架材料中2,5-吡啶二甲酸、[dy(h2o)6]3+阳离子、[b-α-sbw9o33]9–基团以及自由水分子之间的氢键作用(o∙∙∙o:2.385–3.003å)又进一步稳定了整个三维框架结构。
本发明对该二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料的红外光谱（见图2）和热分析行为（见图3）进行了表征。其红外光谱在951，881，804，和683cm–1位置出现特征峰，归属为三缺位keggin[b-β-sbw9o33]9–框架上的w–ot、w–ob、w–oc以及sb–oa的不对称伸缩振动。与前驱体na9[b-α-sbw9o33]∙19.5h2o的红外光谱（ν(w–ot)、ν(w–ob),ν(w–oc)以及ν(sb–oa)分别出现在925cm–1、888cm–1、770cm–1以及708cm–1处）相比，该二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料中的ν(w–ot)、ν(w–ob)、ν(w–oc)以及ν(sb–oa)峰均发生明显移动，这可能是因为四核铁离子的嵌入以及[b-α-sbw9o33]9–→[b-β-sbw9o33]9–的构型转变引起的。在高波数区，3400−3424cm−1以及1602−1629cm−1之间出现强的吸收峰，表明该二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料中含有配位水分子或者结晶水分子。在二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料的红外光谱中，羧基的不对称伸缩振动出现在1623cm−1处，对称伸缩振动峰出现在1404cm−1处，νasym(co2–)和νsym(co2–)的差值为219cm−1，表明2,5-吡啶二甲酸在该材料中采用桥连配位模式，这与其单晶解析结果相一致。此外，在650–1300cm−1处出现的弱峰可以归属为吡啶环上c–h键的面内和面外的振动以及苯环的变形振动。该二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料的热分析曲线可分为三步失重过程：第一步从25℃到400℃失重为12.73%（理论12.96%），对应于50个结晶水分子的失去；第二步从400℃到600℃失重为3.18%，对应于12配位水分子的失去（理论3.11%）；当继续加热到950℃时，第三步约为9.59%的失重，可归属于4个2,5-吡啶二甲酸的失去（理论9.62%）。
电化学传感器制备方法。
分别利用1.0μm和0.3μm氧化铝粉末对直径为3mm的金电极进行抛光，使其表面光滑无划痕，接着在水溶液中超声5min，然后在高纯氮气中进行干燥。把实施例1制备的二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料分散在二次蒸馏水中（浓度为1.0mg·ml−1），取10μl该溶液滴在抛光过金电极表面。在高纯氮气中干燥1小时后，得到二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料修饰金电极（即pom/ae金电极）。然后把pom/ae金电极放入适配体(apt)溶液中浸泡2小时，取出后用pbs缓冲液充分冲洗并在高纯氮气中干燥，即得到二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料修饰的电化学传感器（即apt/pom/ae）。
电化学传感器测试方法。
所有电化学测试在上海晨华生产chi660d电化学工作站上进行。修饰的金电极（即apt/pom/ae）作为工作电极，ag/agcl电极作为参比电极，铂电极作为对电极。支持电解质各组分的浓度为5mmol∙l–1k3[fe(cn)6]/k4[fe(cn)6](1:1),0.14mol∙l–1ofnacl,0.1mol∙l–1ofkcl和0.1mol∙l–1磷酸盐缓冲液。
在本发明中，该二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料在电化学传感器中充当电极基质的角色，该材料先被修饰到金电极（ae）表面，然后再把适配体(apt)固定到该材料上，最后检测该二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料修饰的适配体传感器对黏蛋白(muc1)的识别效率。
为探讨该异金属锑钨酸盐框架材料的电化学传感性能，本发明利用电化学交流阻抗、循环伏安以及差分脉冲伏安法对该铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料修饰电极的响应效率进行评估。电化学交流阻抗法用于追踪电极的整个制备以及检测过程（图4a）。由于电子在金电极表面以及电解液中快速的转移，裸露的金电极的电阻为60.96ω。当该铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料被修饰到金电极表面上（即pom/ae）时，电阻值增加到453.8ω，这表明该二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料修饰金电极表面后，降低了电极的电导率和电化学活性。当适配体进一步修饰到该二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料的表面上时（即apt/pom/ae），电极的电阻值进一步增加到761.2ω，这可能是因为带负电荷的适配体进一步增强了电极与电解液之间的排斥力。随后，当该apt/pom/ae传感器被用于检测muc1时（即muc1/apt/pom/ae），电阻值则进一步增加到942.1ω。循环伏安曲线（图4b）以及差分脉冲伏安曲线（图4c）也被用于检测ae、pom/ae、apt/pom/ae以及muc1/apt/pom/ae的电化学性能，均表明：该二元有机羧酸参与的铁-镝异金属锑钨酸盐框架材料修饰的电化学传感器对黏蛋白具有优良的识别性能。借助电阻变化量（δrct）随muc1浓度的改变，本发明研究了该传感器的灵敏性。图4d展示了在不同的muc1浓度中该传感器的阻抗图谱，并得到了电阻变化量（δrct）与muc1浓度的线性关系δrct(ω)=838.11+197.13logcmuc1(ng·ml−1)，该线性关系的回归系数为0.994（图4e）。在信噪比为3的情况下，计算得到该传感器的检测限为0.215pg·ml−1。该电化学传感器也表现出极好的选择性（图4f）：当向反应体系中加入100倍的癌胚抗原（cea）、前列腺特异抗原(psa)、牛血清蛋白(bsa)以及免疫球蛋白(lgg)时，对电极的δrct的影响微乎其微。对于在黏蛋白以及以上各类蛋白的混合体系中，明显的δrct仍然可以观察到。因此，该电化学传感器对黏蛋白具有优良的选择性。