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• 环丙沙星(CIP)是一种第三代氟喹诺酮类药物，由于其显著的抗菌活性、优异的药代动力学特性，被广泛用于水产品养殖及疾病的预防和治疗中^[1]。但CIP的过度使用不仅会对生物体的生长和繁殖产生不利影响，而且还会诱发耐药细菌甚至超级细菌，严重威胁着人类的健康^[2]。CIP的检测方法主要有色谱法、酶联免疫法、液相色谱-串联质谱法^{[3, 4]}等。色谱法特别是色谱-质谱法所用设备昂贵，且操作过程较为繁琐；酶联免疫法重复性差，易出现假阳性结果。开发操作简便、成本低廉、检测效果好的CIP检测方法很有必要。

  电化学传感器具有操作简单快捷、选择性强、灵敏度高等优点，近年来在药物检测中得到快速发展^[5]。闫长领等^[6]使用CIP分子印迹聚吡咯薄膜电极、丛俏等^[7]使用纳米银氧化石墨烯复合修饰电极、明亮等^[8]使用多壁碳纳米管修饰电极、周谷珍等^[9]使用聚中性红薄膜修饰电极分别检测了CIP。金属有机骨架材料(MOFs)是由无机金属离子或者金属簇与有机配体通过配位键自组装形成的无限网络结构的聚合物多孔材料，为有机-无机复合材料。MOFs材料由于其多功能结构和可调节的孔隙度结合电化学传感器简单易行、成本低、灵敏度高的优点，使MOFs的电化学传感器的研制成为近年来的一个新的热点^[10~12]。本研究通过水热合成法合成了钴-对苯二甲酸金属有机骨架材料Co(BDC)，并将其与聚丙烯酸钠(PAAS)混合后修饰到玻碳电极(GCE)表面，制得电化学传感器Co(BDC)-PAAS/GCE，通过循环伏安(CV)法和差分脉冲伏安(DPV)法研究了传感器的响应性能，并用于水产品中CIP的检测。

  1.   实验部分

  1.1   材料与仪器

  草鱼购自锦州水产批发市场；对苯二甲酸、N, N-二甲基甲酰胺(DMF，阿拉丁试剂有限公司)；CIP标准品(国家标准物质中心)；PAAS(国药化学试剂有限公司)；六水合硝酸钴、氢氧化钠(天津市大茂化学试剂厂)；以上试剂均为分析纯级。

  CHI660E电化学工作站、CHI104玻碳电极、CHI115铂丝对电极、CHI150参比电极(上海辰华仪器有限公司)；Scimitar 2000傅里叶变换红外光谱仪(美国安捷伦公司)；S-4800场发射扫描电镜(SEM，日本日立)。

  1.2   实验方法

  1.2.1   钴(Ⅱ)-对苯二甲酸金属有机骨架的制备

  将0.3229g六水合硝酸钴和0.2g对苯二甲酸加入到20mL DMF中，待充分混合后，将混合液移至50mL内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中密封，置于120℃的烘箱中反应24h。将析出的晶体依次用无水乙醇和去离子水洗涤4次，然后放入80℃烘箱中干燥6h，得到产物Co(BDC)。

  1.2.2   修饰电极的制备

  将0.01g Co(BDC)超声分散于0.02g/mL的PAAS水溶液中，移取10μL混合液滴涂在预处理过的GCE电极上，用红外灯照射，待溶剂完全挥发后得到Co(BDC)-PAAS/GCE修饰电极。采用类似的方法制备PAAS/GCE，用于对比实验。

  1.2.3   电化学测量方法

  以Co(BDC)-PAAS/GCE修饰电极为工作电极、甘汞电极作为参比电极、铂电极作为辅助电极构成三电极体系。采用CV法考察电化学行为，扫描电压为-0.9~0.1 V，扫速100mV/s；采用DPV法记录电流响应，电位范围-0.9~0.1 V，电位增量4mV，脉冲幅度50mV，脉冲宽度0.05s，脉冲周期0.5s。

  1.2.4   样品预处理

  分别称取绞碎的新鲜草鱼试样5.00g，置于50mL聚丙烯离心试管中，加入15mL乙酸乙酯、0.45mL氨水，再加入5g无水硫酸钠，涡旋提取1min，离心5min，上清液倒入小烧杯中。重复3次上述操作，合并上清液，氮气吹扫至近干，用0.1mol/L氢氧化钠溶液稀释至一定体积作为待测样品溶液。

  2.   结果与分析

  2.1   Co(BDC)的表征

  采用SEM观察Co(BDC)的微观形貌，晶体呈片状，且规则地按层排布(图 1(A))。图 1(B)是Co(BDC)的FT-IR图，3599.17和3385.07 cm^-1处的吸收峰分别为Co(BDC)和MOFs材料中所配位的H₂O分子中的-OH的伸缩振动峰。1689.64和1294.24 cm^-1处出现的吸收峰应为C＝O和C—N基团的伸缩振动峰，C—N伸缩振动峰可能归因于溶剂残留。1570.06和1381.03 cm^-1处的吸收峰分别为配体中-COO^-基团的非对称伸缩振动和对称伸缩振动。1105.21和754.17 cm^-1处的吸收峰分别是C—H基团的面内弯曲振动和面外弯曲振动吸收峰。

  图 1

  

  图 1.  Co(BDC)的扫描电镜(A)和红外光谱图(B)

  Figure 1.  SEM (A) and FT-IR diagrams (B) of Co(BDC)

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  2.2   不同电极的电化学测试

  采用CV法对不同修饰电极在0.1mol/L NaOH溶液中于-0.9~0.1 V范围内进行电化学性质表征(图 2)。Co(BDC)-PAAS/GCE(a)出现了较高的还原峰，而GCE(b)和PAAS/GCE(c)没有出现明显的氧化还原峰，证明Co(BDC)是电活性物质，说明裸玻碳电极经过Co(BDC)-PAAS复合膜的修饰，在碱性条件下具有良好的电活性，可以构建传感器。

  图 2

  

  图 2.  不同修饰电极在0.1mol/L NaOH溶液的CV图

  Figure 2.  Cyclic voltammograms of different modified electrodes in 0.1 NaOH mol/L solutions

  (a): Co(BDC)-PAAS/GCE; (b): GCE; (c): PAAS/GCE

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  2.3   扫速对Co(BDC)-PAAS/GCE的影响

  图 3为在含有1.5×10^-2μmol/L CIP的0.1mol/L NaOH溶液中，Co(BDC)-PAAS/GCE在不同扫速下的CV曲线。随着扫速从20mV/s增加到500mV/s，还原峰电流也随之增大。还原峰电流与扫速平方根呈线性关系(内置图)，I(μA)=1.23v^1/2-2.06(R²=0.9989)，表明CIP在Co(BDC)-PAAS/GCE上的电极过程是受表面扩散控制的。

  图 3

  

  图 3.  Co(BDC)-PAAS/GCE在不同扫速下的CV图

  扫速(a~m)分别为20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400、450和500 mV/s；内置图为峰电流与扫速平方根的关系

  Figure 3.  Cyclic voltammograms of Co (BDC)-PAAS/GCE at different sweep rates

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  2.4   pH对Co(BDC)-PAAS/GCE的影响

  图 4为Co(BDC)-PAAS/GCE在不同pH的含有1.51×10^-2μmol/L CIP溶液中的CV曲线。内置图为还原峰电流和还原电势与pH的关系图，随着pH从11.6增加到13，还原峰电流逐渐增大；随着pH继续增加，还原峰电流开始降低。表明pH对还原峰电流有一定影响，pH=13为最佳测试条件；在pH 11.6~13.2范围内，还原电势与pH成线性关系：E(V)=0.06pH-1.2096 (R²=0.9951)。

  图 4

  

  图 4.  Co(BDC)-PAAS/GCE在不同pH的CIP溶液中的CV图

  (a→i)pH分别为：11.6、11.8、12、12.2、12.4、12.6、12.8、13、13.2；内置图为还原峰电流和还原峰电位与溶液pH的关系

  Figure 4.  Cyclic voltammograms of Co(BDC)-PAAS/GCE in different pH values of CIP solutions

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  2.5   Co(BDC)-PAAS/GCE对CIP的电催化作用

  采用CV法考察了GCE、PAAS/GCE和Co(BDC)-PAAS/GCE对CIP的电催化作用(图 5)。图 5中a为Co(BDC)-PAAS/GCE在0.1mol/L NaOH溶液中的CV曲线，b为加入CIP后的CV曲线。加入CIP后Co(BDC)-PAAS/GCE峰电流显著增加，表明Co(BDC)-PAAS/GCE表面的Co(BDC)具有良好的导电能力，并且对CIP有良好的电催化作用。由内置图(1)和(2)可见，GCE和PAAS/GCE在加入CIP前后无明显的峰值变化，说明GCE和PAAS/GCE对CIP没有电催化能力。

  图 5

  

  图 5.  Co(BDC)-PAAS/GCE、GCE(1)、PAAS/GCE(2) 在0.1mol/L NaOH溶液(a)和含有1.51×10^-2μmol/L CIP的0.1mol/L NaOH溶液(b)中的CV图

  Figure 5.  Cyclic voltammograms of Co(BDC)-PAAS/GCE, GCE (1), PAAS/GCE (2) in 0.1 mol/L NaOH solution (a) and 0.1 mol/L NaOH solution containing 1.5×10^-2 μmol/L CIP (b)

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  2.6   Co(BDC)-PAAS/GCE对CIP的检测

  图 6为DPV测试的峰电流与CIP浓度关系图。峰电流与CIP浓度在3.0×10^-9~1.5×10^-8 mol/L范围内和1.5×10^-8~1.5×10^-7 mol/L范围内分别呈线性关系，线性方程分别为I(μA)=99.8C_CIP+5.74(R²=0.989)和I(μA)=11.09C_CIP+7.09(R²=0.992)，检出限为1.0×10^-9mol/L。

  图 6

  

  图 6.  峰电流与CIP浓度的关系

  插图为Co(BDC)-PAAS/GCE在不同浓度(a~j：0.003、0.006、0.009、0.012、0.015、0.03、0.06、0.09、0.12、0.15μmol/L)CIP中的DPV图

  Figure 6.  Relationship between peak current and CIP concentration

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  2.7   Co(BDC)-PAAS/GCE的选择性、重现性和稳定性

  选择恩诺沙星(ENR)、诺氟沙星(NOR)、氧氟沙星(OFX)等几种干扰化合物进行选择性实验。结果显示，在相同条件下，5倍浓度的ENR、NOR、OFX的响应电流远小于CIP的电流(图 7)，说明以上物质对CIP的检测均不造成干扰，Co(BDC)-PAAS/GCE对CIP具有较高的选择性。

  图 7

  

  图 7.  Co(BDC)-PAAS/GCE传感器的选择性

  Figure 7.  The selectivity of electrochemical sensor Co(BDC)-PAAS/GCE

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  用同一电极对0.1μmol/L CIP溶液平行测定5次的相对标准偏差(RSD)为6.3%，用6根电极对同一浓度CIP溶液测量的RSD为5.8%，说明此传感器具有较好的重现性。将Co(BDC)-PAAS/GCE储存在冰箱中2周后，测定0.1μmol/L CIP溶液，响应电流值仅降低了3.7%，说明Co(BDC)-PAAS/GCE用于CIP的测定具有良好的稳定性。

  2.8   实际样品的检测

  取市售的草鱼样品，按照1.2.4所述方法对其进行预处理，经本方法检测未检出CIP。对草鱼空白试样进行CIP的加标回收试验，加标水平分别为0.01、0.05和0.10 μmol/L，每个浓度平行测定3次，回收率为95.0%~101.9%，RSD为2.5%~3.6%，可满足实际样品分析的需要。

  表 1

  

  表 1  草鱼样品中CIP的加标回收率

  Table 1.  Recoveries of CIP in grass carp samples

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  样品	加标量 /(μmol/L)	测得量 /(μmol/L)	回收率 /%	RSD (%，n=3)
  1	0.00	0.0000	-	-
  2	0.01	0.0095	95.0	2.9
  3	0.05	0.0498	99.6	2.5
  4	0.10	0.1019	101.9	3.6

  3.   结论

  本文利用水热法合成了Co(BDC)金属有机骨架材料，并将其与PAAS混合后修饰到玻碳电极表面，构建了Co(BDC)-PAAS/GCE修饰电极。Co(BDC)-PAAS/GCE对CIP具有较强的电催化还原活性。峰电流与CIP浓度在3.0×10^-9~1.5×10^-8 mol/L和1.5×10^-8~1.5×10^-7 mol/L范围内分别呈线性关系，检出限为1.0×10^-9mol/L。Co(BDC)-PAAS/GC修饰电极制作过程简单，灵敏度高，选择性、重现性和稳定性好，实际样品加标回收率为95.0%~101.9%，可满足水产品中CIP快速检测需要。

  
  
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  图 1  Co(BDC)的扫描电镜(A)和红外光谱图(B)

  Figure 1  SEM (A) and FT-IR diagrams (B) of Co(BDC)

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  图 2  不同修饰电极在0.1mol/L NaOH溶液的CV图

  Figure 2  Cyclic voltammograms of different modified electrodes in 0.1 NaOH mol/L solutions

  (a): Co(BDC)-PAAS/GCE; (b): GCE; (c): PAAS/GCE

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  图 3  Co(BDC)-PAAS/GCE在不同扫速下的CV图

  Figure 3  Cyclic voltammograms of Co (BDC)-PAAS/GCE at different sweep rates

  扫速(a~m)分别为20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400、450和500 mV/s；内置图为峰电流与扫速平方根的关系

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  图 4  Co(BDC)-PAAS/GCE在不同pH的CIP溶液中的CV图

  Figure 4  Cyclic voltammograms of Co(BDC)-PAAS/GCE in different pH values of CIP solutions

  (a→i)pH分别为：11.6、11.8、12、12.2、12.4、12.6、12.8、13、13.2；内置图为还原峰电流和还原峰电位与溶液pH的关系

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  图 5  Co(BDC)-PAAS/GCE、GCE(1)、PAAS/GCE(2) 在0.1mol/L NaOH溶液(a)和含有1.51×10^-2μmol/L CIP的0.1mol/L NaOH溶液(b)中的CV图

  Figure 5  Cyclic voltammograms of Co(BDC)-PAAS/GCE, GCE (1), PAAS/GCE (2) in 0.1 mol/L NaOH solution (a) and 0.1 mol/L NaOH solution containing 1.5×10^-2 μmol/L CIP (b)

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  图 6  峰电流与CIP浓度的关系

  Figure 6  Relationship between peak current and CIP concentration

  插图为Co(BDC)-PAAS/GCE在不同浓度(a~j：0.003、0.006、0.009、0.012、0.015、0.03、0.06、0.09、0.12、0.15μmol/L)CIP中的DPV图

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  图 7  Co(BDC)-PAAS/GCE传感器的选择性

  Figure 7  The selectivity of electrochemical sensor Co(BDC)-PAAS/GCE

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  表 1  草鱼样品中CIP的加标回收率

  Table 1.  Recoveries of CIP in grass carp samples

  样品	加标量 /(μmol/L)	测得量 /(μmol/L)	回收率 /%	RSD (%，n=3)
  1	0.00	0.0000	-	-
  2	0.01	0.0095	95.0	2.9
  3	0.05	0.0498	99.6	2.5
  4	0.10	0.1019	101.9	3.6

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