郭美潔，麻力文，樊運康，秦建芳，張艷清，楊海英

運城學院應用化學系，山西 運城 044000

習近平總書記2021年4月19日在清華大學考察時指出，要提升原始創(chuàng)新能力，擁有一大批創(chuàng)新型青年人才，是國家創(chuàng)新活力之所在，也是科技發(fā)展希望之所在。本科生要在完善理論知識的基礎上，放眼于世界科研進展，加深學科之間相互融合，在實驗教學中積極進取，鍛煉動手操作能力和創(chuàng)新思維，促進科研成果的轉(zhuǎn)化[1,2]。2018年教育部高等學校化學類專業(yè)教學指導委員會發(fā)布《化學類專業(yè)本科教學質(zhì)量國家標準》，為培養(yǎng)能夠在化學及相關學科領域從事科學研究、教育教學等工作的化學類專業(yè)人才指明明確的方向[3,4]。基礎化學實驗教學是本科生教學的重要部分，但是現(xiàn)階段實驗教學中存在一些問題，部分實驗設計大多局限于單一知識點的應用，缺乏綜合性和完整性，不能實現(xiàn)知識點的綜合利用。實驗教學考核方式不夠全面高效，不能滿足新時代教育改革背景下對高校人才的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，順應時代的發(fā)展，設計綜合化學實驗，更新實驗內(nèi)容有著十分重要的意義。

化學實驗教學是培養(yǎng)科學探究型人才的重要途徑。習近平總書記曾指出“科技攻關要堅持問題導向”，把社會中存在的科學技術(shù)難題融入本科實驗教學內(nèi)容，使教學更有深度，有利于培養(yǎng)社會所需要的科技人才[5]。本實驗在嚴格遵守《化學類專業(yè)化學教學質(zhì)量國家標準》的基礎上作進一步拓展，指導本科生真正擁有創(chuàng)新能力，感悟創(chuàng)新對科學探索、世界發(fā)展的重要意義。本實驗在分析化學和材料化學學科交叉融合的教學思路下，基于科學問題為目標導向的實驗教學指導原則，引導學生發(fā)現(xiàn)問題。在實驗過程中進行創(chuàng)新設計，探索分析實驗結(jié)果，找出最合適的解決問題的方法，拓展學生知識面，開闊視野，構(gòu)建更加合理和多樣化的知識結(jié)構(gòu)。

金屬有機框架材料(MOFs)是新型多孔晶體材料，具有大比表面積、高孔隙度和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點。MOFs材料獨特的多孔結(jié)構(gòu)造就其優(yōu)秀的吸附與存儲能力，在儲氫、氣體吸附、傳感分析等方面都具有廣闊的應用前景。因此，將MOFs材料相關研究納入本科生實驗教學體系的案例也逐漸被報道出來，這些實驗教學案例可以幫助學生了解化學學科前沿，極大地激發(fā)了學生學習的積極性和科研熱情[6,7]。

本文選擇重要的硝基呋喃類抗生素藥物呋喃西林的電化學傳感檢測為研究案例，以傳感界面構(gòu)建和分析方法建立過程中的關鍵科學問題為主線，將最新發(fā)展的Zn-甲基咪唑金屬有機框架材料(ZIF-8)合成及傳感方法的建立開發(fā)為分析化學基礎實驗。該實驗包含分析化學基本實驗技能、材料合成和表征、分析方法學研究等模塊，實驗安全低毒、試劑消耗少、成本低，可轉(zhuǎn)化為本科生綜合化學實驗。該新創(chuàng)綜合實驗具有較強的創(chuàng)新性，可開拓學生創(chuàng)新思維，提升創(chuàng)新能力。將科研成果與實驗教學的有效結(jié)合用于基礎實驗教學，培養(yǎng)學生解決較為復雜分析方法問題的綜合能力。《化學類專業(yè)本科教學質(zhì)量國家標準》中提到：應注重培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和實踐能力，引入基礎和應用研究的新進展等[3,4]。本新創(chuàng)實驗的設計以解決存在問題和符合國家標準為導向，契合新時代化學實驗教育的方針，進行實驗教學的設計和探究。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

呋喃西林(5-硝基-2-糠醛縮氨基脲，NFZ)是人工合成的硝基呋喃衍生物，廣泛用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，但因其具有遺傳毒性和致突變性被禁止使用，建立呋喃西林檢測方法非常必要。目前，已報道的檢測方法有分光光度法、高效液相色譜法和液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法等[8,9]。這些方法存在著繁瑣耗時、儀器設備昂貴、使用大量毒性有機溶劑等不足。相比之下，電化學傳感方法具有設備簡單、成本低等優(yōu)點，在抗生素研究領域受到重視[10-14]。各種納米材料引入起到信號放大作用，被廣泛用于電化學傳感器以改善表面結(jié)構(gòu)和電化學性能。

沸石咪唑酯骨架-8 (ZIF-8)是沸石咪唑MOFs材料，由Zn與橋接配體咪唑中的N配位而成，表現(xiàn)出許多特優(yōu)性能。由于ZIF-8導電性弱，金屬納米粒子或碳納米管(WCNT)等可改善ZIF-8弱導電性，提高電化學傳感器性能改善分析方法靈敏度[10-12]?；诖死碚摫尘埃鐖D1所示，構(gòu)建ZIF-8/WCNT電化學傳感器測定NFZ實驗得以開展。

圖1 電化學傳感器構(gòu)建和檢測呋喃西林實驗原理圖

1.2 試劑和材料

實驗所需要的主要試劑和材料如表1所示，實驗用水為去離子水。對于一個30人的班級，按5人一組，共分6組進行。該班級完成實驗所需試劑用量如表1所示。

表1 主要實驗試劑和用量

1.3 儀器和表征方法

綜合上述方案，實驗所需主要儀器如表2所示，其余儀器還包含：磁子、鐵架臺、玻璃棒、圓底燒瓶、100 mL量筒等。電化學測試均在電化學工作站CHI 760E上完成，采用三電極系統(tǒng)，工作電極為修飾玻碳電極(GCE)，參比電極為Ag/AgCl (飽和KCl)，對電極為鉑絲電極。取一定量呋喃西林工作溶液通氮氣20 min，考察在各修飾電極的電化學行為，電位范圍為0.4 - -1.4 V，掃速為0.10 V·s-1，進行循環(huán)伏安掃描測試。電化學測量均在室溫進行。

表2 所用主要實驗儀器

1.4 實驗步驟

(1) ZIF-8的合成：室溫下攪拌合成，取1.67 g六水合硝酸鋅于200-250 mL燒杯中，加入80 mL甲醇混合(溶液A)，另取3.70 g二甲基咪唑于200-250 mL燒杯，加入80 mL甲醇混合(溶液B)，將B液加入到A液，攪拌24 h，離心，甲醇洗3次，真空過夜干燥得到ZIF-8。

(2) ZIF-8/WCNT修飾電極制備和修飾材料選擇：分別稱0.0100 g ZIF-8、WCNT，加入到2.00 mL二甲基甲酰胺中，超聲10 min，然后取該溶液0.20 mL，0.5% Nafion 0.20 mL，乙醇0.40 mL，超聲10 min，得ZIF-8/WCNT復合材料分散液。直徑3 mm玻碳電極拋光后，在超純水中清洗，取5 μL滴加在GCE表面，紅外燈下干燥，得ZIF-8/WCNT/GCE，取各分散液按照上述操作得ZIF-8/GCE、WCNT/GCE。以修飾電極為工作電極，分別考察呋喃西林在各修飾電極的電化學行為。

(3) 測定條件優(yōu)化的探究：各小組分別修飾不同體積1 g·L-1ZIF-8/WCNT于GCE上，修飾液體積為：1 μL、3 μL、5 μL、7 μL、10 μL、15 μL、20 μL，按照步驟(2)的電化學方法進行檢測，分析峰電流可得最佳修飾量；配制不同pH的醋酸-醋酸鈉(ABS)緩沖溶液，分析還原峰電流得最佳pH。

(4) 線性實驗的探究：各小組根據(jù)得到的最佳修飾物和最佳修飾量制備電化學傳感器，在優(yōu)化的pH緩沖溶液中，加入不同量的呋喃西林工作液，分析峰電流值隨濃度增加的變化，建立電化學傳感器檢測呋喃西林的線性關系。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成ZIF-8和復合材料的表征

利用場發(fā)射掃描顯微鏡(SEM)技術(shù)對ZIF-8、WCNT和ZIF-8/WCNT復合材料進行圖像掃描分析。如圖2所示，清晰可見ZIF-8材料的三維顆粒狀結(jié)構(gòu)，多壁碳納米管為互相纏繞的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(亮色部分)。圖中還可以清晰地看到ZIF-8顆粒附著在多壁碳納米管三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，并且高度重疊，和文獻一致[8]。多壁碳納米管優(yōu)異的導電性有利于增加復合材料的界面電子傳遞，使得ZIF-8-WCNT復合材料的電化學性能更加優(yōu)良。

圖2 ZIF-8、WCNT、ZIF-8/WCNT修飾電極的形貌

通過分析鐵氰化鉀氧化還原電對在不同修飾材料界面的電化學行為，探究ZIF-8、WCNT和復合材料對界面電子轉(zhuǎn)移的影響。各實驗小組分別制備在玻碳電極表面滴涂三種材料制備傳感器，在5 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-/4-溶液中，圖3給出了裸玻碳電極和不同修飾電極的循環(huán)伏安圖。在裸電極上表現(xiàn)出一對可逆的氧化還原峰，在ZIF-8/GCE電極上峰電流下降，這是由于ZIF-8弱導電性。WCNT和ZIF-8/WCNT修飾電極上峰電流明顯增大，這歸因于WCNT良好的導電性提高了界面電子的轉(zhuǎn)移；而復合材料修飾電極上的峰電流比前兩者上都高，可能是結(jié)合了WCNT良好的導電性和ZIF-8多孔有利于擴散的優(yōu)點，促進了反應物在溶液中的擴散和電子傳遞。結(jié)果表明，復合ZIF-8-WCNT是良好的傳感器增敏材料。

圖3 不同材料傳感器的電化學性質(zhì)實驗

2.2 電化學測定呋喃西林最佳修飾材料的探究

通過分析呋喃西林在不同材料上的電化學行為探究傳感器的最佳修飾材料。各實驗小組分別在玻碳電極表面滴涂ZIF-8、WCNT、ZIF-8-WCNT制備傳感器，在1.96 × 10-4mol·L-1呋喃西林溶液以循環(huán)伏安技術(shù)(CV)進行檢測。如圖4(A)所示，呋喃西林在GCE和ZIF-8/GCE電極上，于-0.40 V左右出現(xiàn)一個不可逆還原峰C1；在WCNT/GCE和ZIF-8-WCNT/GCE電極上，-0.390 V出現(xiàn)還原峰C1，+0.190 V出現(xiàn)氧化峰A1，在-1.140 V還出現(xiàn)一個電流值較小的還原峰C2。其中，ZIF-8-WCNT/GCE在C1處的還原峰電流為92.28 μA，比WCNT/GCE上的峰電流高約30%，高于ZIF-8/GCE和GCE上電流10倍左右，說明復合材料增強了界面電子傳導，加速了電極反應速率，進而增加了呋喃西林的電流響應。因此，選擇ZIF-8-WCNT修飾的GCE作為最佳修飾電極。呋喃西林可能的電化學還原機理如圖5所示，C1處還原峰為呋喃西林(RNO2)的硝基得到4電子和4質(zhì)子發(fā)生還原反應生成羥胺(RNHOH)；C2處還原峰為在酸性溶液中質(zhì)子化的羥胺進一步得到2電子1質(zhì)子發(fā)生還原反應，生成RNH2；A1為RNHOH失去2電子2質(zhì)子發(fā)生氧化反應生成亞硝基(RNO)[12,13,15]。C1處的還原峰電流最大，因此選擇該峰進行后續(xù)試驗研究。

圖4 傳感器最佳修飾材料探究實驗

圖5 呋喃西林在ZIF-8/WCNT/GCE電化學還原機理

2.3 傳感器界面ZIF-8/WCNT最佳修飾量的探究

探究傳感界面ZIF-8/WCNT修飾量對呋喃西林電化學行為的影響，取不同體積1 mg·mL-1ZIF-8/WCNT修飾于GCE上，分別為：1 μL、3 μL、5 μL、7 μL、10 μL、15 μL、20 μL。在ABS底液中加入1.96 × 10-4mol·L-1呋喃西林，采用循環(huán)伏安技術(shù)檢測，結(jié)果如圖6所示。當修飾量從1 μL增加到5 μL時，-0.40 V還原峰電流不斷增加。當修飾量增加到20 μL時，電流隨著修飾量的增加緩慢減小，可能是由于電極表面修飾物厚度增加阻礙了呋喃西林的擴散。因此，選擇最佳修飾量為5 μL進行后續(xù)實驗。

圖6 ZIF-8/WCNT負載量探究實驗

2.4 檢測電解質(zhì)最佳pH的探究

緩沖溶液的pH對檢測呋喃西林的電化學信號有直接影響。本實驗研究了ABS緩沖溶液pH在3.6-5.8范圍內(nèi)，1.96 × 10-4mol·L-1呋喃西林溶液在傳感器上的電化學響應。如圖7所示，當pH在從3.6增加到5.8時，C1響應電流逐漸增大后減小，pH 5.0時峰電流最大。因此本實驗緩沖溶液的最佳pH為5.0。

圖7 最佳pH探究實驗

2.5 ZIF-8/WCNT/GCE電化學傳感器測定呋喃西林線性實驗的探究

在上述最佳條件下，各小組制備電化學傳感器，以循環(huán)伏安法對呋喃西林溶液進行檢測。配制不同濃度呋喃西林，通過分析還原峰電流隨濃度變化，如圖8所示。峰電流隨濃度增加而逐漸增加，在0.660-196 μmol·L-1范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關系，線性回歸方程為Ip,c(μA) = 0.420C(μmol·L-1) -0.932，R2為0.9876，表明本實驗構(gòu)筑的電化學傳感器具有較高的靈敏度。

圖8 檢測呋喃西林的線性實驗

2.6 ZIF-8/WCNT/GCE電化學傳感器測定樣品中呋喃西林的探究

在上述最佳條件下，各小組制備電化學傳感器，以循環(huán)伏安法對呋喃西林溶液進行檢測。使用同一根ZIF-8/WCNT/GCE，按照測定方法平行測定呋喃西林溶液7次，得RSD為3.60%，說明該方法的精密度較高。根據(jù)修飾電極方法制備一批(5根)電極分別測定，所得RSD結(jié)果4.50%，說明該方法的重現(xiàn)性較好。將該方法用于實際樣品分析以評估其應用性能，取市售的0.02 %呋喃西林溶液(相當于10.0 μmol·L-1) 10.00 mL，以ABS定容50.00 mL，搖勻后作為測試液，按照前述條件進行電化學測量。另取剛配制的測試液5.00 mL，分別加入一定量呋喃西林標準溶液，以ABS定容10.00 mL，搖勻后按照前述條件進行電化學測量，進行加標回收實驗。每個樣品平行測定3次，取其平均值記錄數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 ZIF-8/WCNT/GCE電化學傳感器對呋喃西林溶液的檢測和回收實驗結(jié)果

3 實驗組織和運行建議

本實驗涉及電化學傳感器制備、電分析化學原理、材料結(jié)構(gòu)表征、分析方法建立和評價、甲醇安全防范和規(guī)范處理、應用拓展等環(huán)節(jié)，建議納入化學專業(yè)本科生的綜合化學實驗教學，在大二下學期或大三年級開設，總學時建議為9小時。

根據(jù)班級人數(shù)和實驗室條件，以5-6人一組開展實驗，每個實驗室安排20-24名學生，用時3天，每天3學時。具體實驗安排如下：第一天：讓學生了解實驗背景，掌握實驗原理和方法，學習儀器規(guī)范使用和實驗中所涉及的操作?？紤]到實驗的安全性，根據(jù)“1.4 實驗步驟”中步驟(1)由教師示范制備ZIF-8的實驗操作，學生完成實驗步驟(2)。第二天：測試條件優(yōu)化并分析結(jié)果，小組討論探究出最佳修飾量和pH，對應步驟(3)。第三天：線性實驗和樣品測定，各小組匯總實驗結(jié)果，對應實驗步驟(4)。整理和分析實驗數(shù)據(jù)，進行總結(jié)和反思，拓展交流。本實驗已在運城學院開設兩個學期(材料化學本科專業(yè)基礎綜合實驗，大三下學期)，每個班級約30人，分兩大組依次進行，每大組再分3小組，每組約5人。通過近兩年開設該實驗教學，學生能夠?qū)⒄n本理論內(nèi)容、實驗方法與實際相結(jié)合，鍛煉了大學生的理論、實踐能力。運行過程中存在的問題，受儀器臺套數(shù)的限制，每次只能3組平行進行，每組的學生人數(shù)較多，一定程度影響實驗教學的效果。

實驗注意事項：

1) 進入實驗室須佩戴完整防護設備，防止誤觸誤碰。

2) 在實驗過程中，要求學生規(guī)范相關操作，安全使用烘箱和電化學工作站等電器設備。

3) 在ZIF-8合成過程中溶劑為甲醇，必須在通風櫥中進行密閉操作，嚴格遵守操作規(guī)程，建議佩戴耐酸堿手套和護目鏡，該納米材料由指導教師制備好，上課時給學生講解和演示。

4) 廢液收集存放在實驗室固定容器中，交實驗中心集中專業(yè)處理。

5) 如實記錄實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，用電化學工作站轉(zhuǎn)化實驗數(shù)據(jù)并借助Origin軟件規(guī)范作圖，進行數(shù)據(jù)的分析整合。

4 實驗拓展部分

除了對學生進行實驗的教學以外，還可以加入對于科研探究方面的拓展，對學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力進行進一步提升。在教學中，除了讓學生學習到電化學傳感方法的實驗原理和操作等，對市售呋喃西林樣品的準確分析表明新建立的方法可滿足實際生產(chǎn)生活的需求，使學生了解本方法的實用性。在科研中，進一步引導學生對本實驗進行復盤和總結(jié)，思考本實驗中可以改進的方法和操作有哪些，如何進行改進，能否用其他方法排除雜質(zhì)等干擾，從而可以更高效地檢測呋喃西林？此方法能否應用到工業(yè)生產(chǎn)中，理論與實際進行結(jié)合方面還存在哪些待解決的問題？學生可自行設計實驗方案和實驗步驟，這一環(huán)節(jié)可以激發(fā)學生主觀能動性，小組討論設計方案，引導學生分析問題解決問題，不斷提高學生創(chuàng)新能力和研究興趣。

5 結(jié)語

本實驗將ZIF-8合成和電化學傳感器檢測呋喃西林開發(fā)為分析化學基礎實驗，豐富了傳感分析方法在實驗教學中的應用。通過學生課堂組織、實驗實踐、結(jié)果分析和實驗拓展，使得學生深入了解抗生素檢測的意義，掌握電化學傳感器制備和分析方法建立的實驗過程。更重要的是，該新創(chuàng)實驗采用問題導向型實驗教學模式，可以培養(yǎng)學生主動思考、解決問題的能力，符合創(chuàng)新型實驗教學要求。教學目標明確、新創(chuàng)實驗所用試劑環(huán)境友好、實驗操作安全性高，時長合理，非常適合于分析化學基礎實驗教學。通過該實驗教學，可促進學生理論知識學習和分析化學實踐之間的結(jié)合，促進化學專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。