銅-金屬有機(jī)框架物修飾電極的制備及甲硝唑測定

馬雄輝，韋柳鴿,吳 婷，李建平

(桂林理工大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西高校食品安全與檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

銅-金屬有機(jī)框架物修飾電極的制備及甲硝唑測定

馬雄輝，韋柳鴿,吳 婷，李建平*

(桂林理工大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西高校食品安全與檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

在玻碳電極表面聚合一層對氨基苯甲酸導(dǎo)電膜，通過羧基配位作用將具有優(yōu)良導(dǎo)電性及催化能力的銅金屬有機(jī)框架化合物(Cu-MOFs)自組裝在對氨基苯甲酸修飾電極表面，制備了銅-金屬有機(jī)框架物修飾電極。對Cu-MOFs進(jìn)行了表征，研究了修飾電極的伏安特征及對甲硝唑(MNZ)的電催化特性，建立了一種高靈敏度的測定甲硝唑的電化學(xué)分析方法。在1.0～100.0 μmol/L濃度范圍內(nèi)，MNZ的還原電流與其濃度呈良好的線性關(guān)系，檢出限達(dá)0.23 μmol/L，方法已用于蜂蜜樣品中MNZ的測定。

銅-金屬有機(jī)框架化合物；甲硝唑；修飾電極；電催化

甲硝唑是硝基咪唑類藥物的主要成分，主要用于治療或預(yù)防厭氧菌引起的系統(tǒng)或局部如腹腔、消化道等部位感染。在牧業(yè)領(lǐng)域，甲硝唑作為飼料添加劑用來抑制厭氧菌生長。研究表明，甲硝唑?qū)又参锛?xì)胞存在毒害作用，其不合理使用會使地下水受到污染，通過食物鏈的傳遞，間接對人體產(chǎn)生神經(jīng)毒副作用[1]。目前，甲硝唑的檢測方法主要有酶聯(lián)免疫吸附檢測法[2]、高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[3-4]、光譜分析法[5-6]等，這些方法存在操作儀器復(fù)雜或靈敏度不高等問題。此外，甲硝唑的硝基官能團(tuán)具有氧化還原性質(zhì)，根據(jù)其電化學(xué)活性而采用生物或納米材料修飾電極檢測甲硝唑已有報(bào)道[7-8]，然而這些修飾電極的制備過程較為復(fù)雜耗時(shí)。金屬有機(jī)框架(MOFs)是一類由有機(jī)配體與金屬離子通過自組裝而成的材料[9]，具有較高的孔隙率、高比表面積、可調(diào)節(jié)的孔徑和結(jié)構(gòu)、極好的熱穩(wěn)定性、較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢，已應(yīng)用于氣體存儲和分離、催化反應(yīng)等領(lǐng)域[10-12]，在電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注[13-15]。本文將具有較好導(dǎo)電性、催化能力的銅金屬有機(jī)框架化合物(Cu3(BTC)2)自組裝至聚對氨基苯甲酸玻碳電極表面，制備了Cu-BTC/p-ABA/GCE修飾電極，該修飾電極對甲硝唑的還原有顯著的催化作用，據(jù)此制備了一種快速簡便檢測甲硝唑的新型電化學(xué)傳感器。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI660B電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)，采用三電極系統(tǒng)：Cu-BTC/p-ABA/GCE(Φ=3 mm)為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲電極為對電極；JWY-30B直流穩(wěn)壓電源(石家莊無線電四廠)；X’pert PRO X射線衍射(荷蘭PANalytical公司)；日本電子JEM-2100F場發(fā)射透射電子顯微鏡。1,3,5-均苯三甲酸(分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；對氨基苯甲酸(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；甲硝唑、1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽(分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)。實(shí)驗(yàn)用水為二次去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

參照文獻(xiàn)[16]采用電化學(xué)法制備銅金屬有機(jī)框架化合物，裁剪2片長方形銅片(2.0 cm×5.0 cm，厚度0.5 mm)進(jìn)行拋光處理，并保存于丙酮中。稱取1,3,5-均苯三甲酸(0.86 g)、1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽(2.50 g)、硝酸銅(0.25 g)于燒杯中，加入40 mL水，攪拌均勻。在直流穩(wěn)壓電源下，利用上述處理過的2片銅片分別作為陰、陽極，調(diào)節(jié)電壓，控制通過銅片的電流密度為0.025 A/cm2左右，恒流反應(yīng)1.5 h。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中生成藍(lán)色的絮狀物質(zhì)，過濾并洗滌溶液得到藍(lán)色的產(chǎn)物，干燥保存。

圖1 修飾電極的制備原理Fig.1 Scheme of the modified electrode

將玻碳電極進(jìn)行拋光處理，用移液管移取10.0 mL 5 mmol/L的p-ABA(pH=7.4 PBS)于25 mL燒杯中，采用循環(huán)伏安法在掃描窗口為0～1 V，掃描速度為50 mV/s，掃描25圈進(jìn)行電化學(xué)聚膜。配制Cu-BTC分散液(40.0 mg/mL)，取500.0 μL分散液于1.5 mL離心管中，將制備的聚膜電極放入離心管中，倒置浸泡6.0 h。將制作完成的修飾電極置于一定濃度的MNZ溶液(pH=8.5 PBS)中進(jìn)行差分脈沖伏安實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：掃描電位范圍為-0.2～-1.2 V，振幅為50 mV。修飾電極的制作過程如圖1。

2 結(jié)果與討論

2.1 電聚合對氨基苯甲酸

對氨基苯甲酸的循環(huán)伏安電聚合過程如圖2所示，第1圈中，電位由0 V向1.0 V掃描時(shí)，得到1個(gè)陽極峰，E1pa=0.80 V，此峰應(yīng)歸因于氨基的自由基氧化，繼續(xù)循環(huán)掃描，得到1組氧化還原峰，E2pa=0.20 V，E2pc=0.11 V，其反應(yīng)機(jī)理應(yīng)為：

圖2 對氨基苯甲酸的電聚合Fig.2 Electrochemical polymerization of p-aminobenzoic acid

隨著聚膜反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，峰電流趨于穩(wěn)定，說明在電極表面已成功聚合1層聚氨基苯甲酸導(dǎo)電聚合膜。

2.2 Cu3(BTC)2的XRD及TEM表征

將電化學(xué)法制備的Cu3(BTC)2材料(圖3a)進(jìn)行XRD表征實(shí)驗(yàn)，與Cu3(BTC)2的標(biāo)準(zhǔn)譜圖(圖3b)進(jìn)行對比，兩者出峰的角度、峰高、峰形等較為一致，特征衍射峰(6.6°,9.7°,12.5°,14.3°)基本重合。掃描電鏡可以直接觀測材料表面形貌及分布特征，從圖4中可以看出樣品Cu-BTC為正八面體晶體結(jié)構(gòu)，與文獻(xiàn)[16]報(bào)道相符，說明成功制備了銅金屬有機(jī)框架材料Cu3(BTC)2。

圖3 MOFs材料的XRD光譜Fig.3 XRD spectra of Cu3(BTC)2a.the synthesized Cu3(BTC)2;b.the standard Cu3(BTC)2

圖4 MOFs材料的TEM圖Fig.4 TEM image of Cu3(BTC)2

圖5 修飾電極對甲硝唑的電催化還原Fig.5 Electrocatalytic reduction of metronidazole(MNZ) by modified electrodea.GCE,b.p-ABA/GCE,c.Cu-BTC/p-ABA/GCE;cMNZ=80 μmol/L

2.3 Cu-BTC/p-ABA/GCE對甲硝唑的電催化

分別用玻碳電極(a)、聚p-ABA膜玻碳電極(b)、Cu-BTC/p-ABA修飾玻碳電極(c)對80.0 μmol/L MNZ進(jìn)行差分脈沖伏安檢測，結(jié)果如圖5所示。甲硝唑在GCE、聚膜電極上的響應(yīng)電流較低，而在MOFs修飾電極上的還原電流顯著增大，與裸玻碳電極相比，峰電流約增大8倍，說明銅金屬有機(jī)框架修飾電極能催化甲硝唑的電化學(xué)還原。

2.4 掃描速率對甲硝唑在修飾電極電化學(xué)行為的影響

利用循環(huán)伏安法研究了甲硝唑在不同掃描速率下的電化學(xué)行為。當(dāng)掃描速率在20～120 mV/s時(shí)，隨著掃描速率(v，mV/s)的增加，甲硝唑的還原峰電流逐漸增大，且峰電流與掃描速率呈正比例的線性關(guān)系，線性擬合方程為I=0.048 3v(mV/s)+1.421 8，r2=0.982 7，說明甲硝唑在修飾電極(Cu3(BTC)2/p-ABA/GCE)上的電極動力學(xué)過程受吸附過程控制。陽極化掃描時(shí)，出現(xiàn)較小的氧化峰，Ipa/Ipc<1，因此電極反應(yīng)為準(zhǔn)可逆。對于準(zhǔn)可逆反應(yīng)，陽極峰電位和陰極峰電位可根據(jù)Laviron’s方程[17-18]表示為：

2.5 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.5.1 自組裝時(shí)間及聚膜圈數(shù)的優(yōu)化自組裝銅金屬有機(jī)框架是制備MOFs修飾電極的重要步驟，其時(shí)間的長短影響到修飾電極上MOFs材料的負(fù)載量及穩(wěn)定性。保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變，甲硝唑濃度為40 μmol/L，控制自組裝時(shí)間分別為2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,20.0 h，制備了修飾電極，并采用差分脈沖伏安法考察了不同自組裝時(shí)間制備的修飾電極對甲硝唑的電流響應(yīng)情況。結(jié)果顯示，隨著時(shí)間的增加，修飾電極的電流響應(yīng)值逐漸增大，6.0 h時(shí)響應(yīng)電流達(dá)到峰值，后趨于穩(wěn)定。因此實(shí)驗(yàn)選擇自組裝時(shí)間為6.0 h。聚膜圈數(shù)同樣是修飾電極的重要參數(shù)，保持其他條件不變，考察了不同聚膜圈數(shù)(0,5,15,20,25,30圈)下制備的修飾電極對甲硝唑的電流響應(yīng)情況。結(jié)果顯示，當(dāng)聚膜的圈數(shù)為25 圈時(shí)，修飾電極的響應(yīng)電流值達(dá)到最高值，這是由于過高的圈數(shù)可能導(dǎo)致電極表面的羧基過量，膜厚度過厚，致使響應(yīng)電流有所下降。因此，本文選擇聚膜的圈數(shù)為25 圈。

圖6 底液pH值對響應(yīng)電流的影響Fig.6 Effect of bottom liquid pH value on response current

圖7 修飾電極對不同濃度甲硝唑的差分脈沖伏安響應(yīng)Fig.7 DPV response of the modified electrode to different concentrations of MNZ MNZ concentration(a-k):0,2,4,6,8,10,20,40,60,80,100 μmol/L

2.5.2 緩沖液的選擇與pH值的優(yōu)化緩沖溶液介質(zhì)及pH值均會對電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生較大影響，本實(shí)驗(yàn)固定甲硝唑濃度為40 μmol/L，取0.02 mol/L的PBS溶液(pH=5.5,6.0,6.5,7.5,8.0,8.5)、Tris-HCl溶液(pH 9.0)、NaOH溶液(pH=11.0,12.0)作為緩沖底液，考察同一支修飾電極在不同緩沖介質(zhì)下對甲硝唑的電流響應(yīng)。結(jié)果表明，修飾電極在0.02 mol/L PBS緩沖介質(zhì)中具有更好的響應(yīng)穩(wěn)定性及重現(xiàn)性，進(jìn)一步研究了緩沖介質(zhì)的pH值對響應(yīng)電流的影響。實(shí)驗(yàn)可觀察到，當(dāng)pH=8.5時(shí)修飾電極的響應(yīng)電流達(dá)到最高值(見圖6)。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇pH 8.5的PBS作為底液。

2.6 修飾電極的性能

在優(yōu)化條件下，將修飾電極置于不同濃度的甲硝唑溶液中進(jìn)行檢測。如圖7所示，修飾電極對甲硝唑在1.0～100.0 μmol/L濃度范圍內(nèi)具有較好的線性關(guān)系，其線性方程為ΔI(μA)=0.072 3c(μmol/L)+ 0.730 7，相關(guān)系數(shù)(r2)為0.986 6，檢出限(3σ/S)為0.23 μmol/L。與其他電化學(xué)檢測方法[19-21]相比，本方法的檢測靈敏度更高。

利用1支修飾電極，對甲硝唑溶液進(jìn)行5次平行測定，每次檢測后用水沖洗電極表面，計(jì)算得到響應(yīng)電流的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.3%；利用相同方法制備5支修飾電極，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下測量，響應(yīng)電流的RSD為1.7%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明修飾電極具有良好的重現(xiàn)性。制備1支修飾電極對甲硝唑溶液進(jìn)行測定，1周之內(nèi)，催化響應(yīng)電流幾乎無變化。2周和3周之后，信號響應(yīng)值分別減小1.9%和2.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明修飾電極具有良好的穩(wěn)定性。

2.7 干擾實(shí)驗(yàn)

在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，對Ca2+，Zn2+，F(xiàn)e2+，F(xiàn)e3+，Mg2+，Al3+，果糖，以及甲硝唑的結(jié)構(gòu)類似物1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽(BMIM)、2-巰基苯并咪唑(MBI)、1-苯基-3-甲基-5咪唑啉酮(PMBP)等多種共存物質(zhì)進(jìn)行干擾實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，對于50 μmol/L MNZ，400倍的常見離子及結(jié)構(gòu)類似物對修飾電極的電流響應(yīng)信號基本無影響，表明修飾電極具有良好的抗干擾能力，能應(yīng)用于復(fù)雜樣品中的甲硝唑分析。

2.8 實(shí)際樣品檢測

取10 mg市售蜂蜜樣品溶于1 mL 5%丙酮水溶液中，超聲溶解后，取1 mL樣品溶液用pH 8.5 PBS溶液定容至10 mL，直接取部分溶液作為電解池進(jìn)行檢測，同時(shí)進(jìn)行加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，加標(biāo)回收率在96.3%～100.7%范圍內(nèi)，RSD低于3.0%，表明修飾電極具有良好的實(shí)用性，具備一定的應(yīng)用潛力。

表1 蜂蜜樣品的分析結(jié)果

3 結(jié) 論

本文根據(jù)銅金屬有機(jī)框架材料的優(yōu)良催化能力制備出銅金屬有機(jī)框架材料修飾電極，可用于微量甲硝唑的高靈敏檢測。與甲硝唑的傳統(tǒng)檢測方法相比，本方法分析過程簡單、測定快捷，為甲硝唑的分析檢測提供了新的手段。

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Preparation of Metal Organic Framework Modified Electrode and Its Application in Detection of Metronidazole

MA Xiong-hui,WEI Liu-ge，WU Ting,LI Jian-ping*

(Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Food Safety and Detection,College of Chemistry and Bioengineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

A poly amino acid film was modified on the surface of glassy carbon electrode by electro polymerization,then the copper metal organic frameworks(MOFs) with excellent electrical conductivity and catalytic ability were self-assembled on the surface of the modified electrode via carboxyl coordination.The voltammetric behaviors of metronidazole(MNZ) on the modified electrode and its electrocatalytic properties were studied.Thus,a MNZ electrochemical sensor with preeminent sensitivity was established.The method had a good linearity in the range of 1.0-100.0 μmol/L with a detection limit of 0.23 μmol/L,and was also successfully applied in the detecttion of MNZ in the honey sample.

Cu-MOFs;metronidazole(MNZ);modified electrode;electrocatalysis

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.01.015

2016-07-17；

2016-08-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21375031)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015GXNSFFA139005)；廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及卓越學(xué)者計(jì)劃項(xiàng)目(桂教人[2014]49號)

*通訊作者：李建平，博士，教授，研究方向：電化學(xué)傳感器，Tel：0773-8990404，E-mail:likianping@263.net

O657.1；TQ460.72

A

1004-4957(2017)01-0091-05