對(duì)乙酰氨基酚在多壁碳納米管L半胱氨酸共組裝修飾金電極上的電

1、對(duì)乙酰氨基酚在多壁碳納米管L半胱氨酸共組裝修飾金電極上的電化學(xué)行為研究及其測(cè)定        【摘要】     在N,N二環(huán)已基碳酰亞胺(DCC)存在介質(zhì)下,通過(guò)酰氨鍵使羧基化的多壁碳納米管(MCNTs)與L半胱氨酸(LCys)縮合，功能化的MCNTs通過(guò)SAu鍵自組裝(SAMs)到金電極表面，制備了修飾電極(MCNTsLCysAu/SAMsCME),并對(duì)電極的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行電化學(xué)表征。研究表明,該修飾電極對(duì)對(duì)乙酰氨基酚的電化學(xué)氧化具有明顯的催化作用。同時(shí), 對(duì)其催化

2、氧化的機(jī)理進(jìn)行了初步探討。將此修飾電極用于流動(dòng)注射不可逆雙安培(FIIB)體系的構(gòu)建, 即利用對(duì)乙酰氨基酚在MCNTsLCysAu/SAMsCME上的氧化和KMnO4在另一支鉑電極上的還原構(gòu)建了雙安培檢測(cè)體系，成功的建立了在外加電壓為0 V條件下流動(dòng)注射雙安培法直接測(cè)定對(duì)乙酰氨基酚的新方法。在0 V外加電壓下，在0.05 mol/L硫酸載液中，該氧化峰峰電流與對(duì)乙酰氨基酚濃度在2.0×1062.0×104 mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，其線性回歸方程為i(nA)=8.21×107C+200(r=0.9984, n=9)； 在2.0×1041.0

3、15;103 mol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，其線性回歸方程為i(nA)=2.30×107C+104(r=0.9938, n=4)，方法檢出限為1.0×106 mol/L (S/N=3)； 連續(xù)測(cè)定1.00×104 mol/L對(duì)乙酰氨基酚標(biāo)準(zhǔn)溶液20次，電流值RSD為2.%，進(jìn)樣頻率為90樣/h。該方法具有較高的選擇性和靈敏度。對(duì)乙酰氨基酚片中的對(duì)乙酰氨基酚的含量的測(cè)定，結(jié)果比較滿意。     【關(guān)鍵詞】  金電極,不可逆雙安培法, 多壁納米碳管，半胱氨酸，修飾電極，對(duì)乙酰氨基酚   &#

4、160;1  引  言    對(duì)乙酰氨基酚(paracetamol, PA)，俗稱撲熱息痛，為乙酰苯胺類藥物，具有解熱、鎮(zhèn)痛的功效。主要用于感冒發(fā)燒、關(guān)節(jié)痛、神經(jīng)痛及偏頭痛及手術(shù)后止痛等。因此，其分析測(cè)定方法在臨床醫(yī)學(xué)及藥理學(xué)研究方面有重要意義。目前測(cè)定的方法主要有分光光度法1、薄層掃描法2、色譜法3、化學(xué)發(fā)光4和電化學(xué)方法5等。       不可逆雙安培法(irreversible biamperometry, IB)是通過(guò)耦合兩個(gè)各自獨(dú)立的、具有相反電極反應(yīng)過(guò)程的不可逆電對(duì)來(lái)構(gòu)建雙

5、安培體系6。該方法與流動(dòng)注射聯(lián)用在非常小的外加電壓(甚至0 V)也可以快捷、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)分析物的檢測(cè)，具有較好選擇性和較高靈敏度。該方法已成功地應(yīng)用于阿魏酸7等物質(zhì)的測(cè)定。    碳納米管(CNTs)因其具有諸多奇特的物理化學(xué)性質(zhì)而廣泛用于材料、物理、化學(xué)等領(lǐng)域，依據(jù)其原子結(jié)構(gòu)的不同，CNTs既可以表現(xiàn)出金屬性又可以表現(xiàn)出半導(dǎo)體性。研究表明，當(dāng)碳納米管用作電極材料時(shí)，能夠提高電子轉(zhuǎn)移能力，增強(qiáng)導(dǎo)電性，從而使修飾電極具有優(yōu)良的電化學(xué)性質(zhì)、高的穩(wěn)定性及電催化性。納米碳管是單層或多層石墨沿中心軸旋轉(zhuǎn)而形成的一維管狀結(jié)構(gòu)，可分為單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(

6、MCNTs)兩類。由于MCNTs的價(jià)格比較低廉，所以應(yīng)用更為廣泛。目前有關(guān)多壁碳納米管的電化學(xué)分析的研究已有很多報(bào)道。如測(cè)定葡萄糖、維生素B12、雙氯芬酸鈉1等。    在DCC存在的介質(zhì)體系中，羧基化的MCNTs與半胱氨酸（LCys）形成酰氨鍵，利用LCys中SH鍵與金電極通過(guò)共價(jià)鍵形成SAu，組裝于金絲表面。實(shí)現(xiàn)了在金電極上的MCNTs的化學(xué)修飾, 并對(duì)所得修飾電極進(jìn)行了電化學(xué)的表征，比較了PA在裸電極上與修飾電極上的電化學(xué)行為，結(jié)果表明，此修飾電極對(duì)PA的電化學(xué)氧化具有顯著的催化作用。基于FIIB檢測(cè)原理，利用PA在MCNTsLCysAu/SAMsCME的氧

7、化和KMnO4在另一鉑電極上的還原構(gòu)建不可逆雙安培檢測(cè)新體系。結(jié)果顯示，在外加電位差(E)為0 V時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)PA準(zhǔn)確、快速的分析測(cè)定，并具有良好的重現(xiàn)性，且方法具有較高的選擇性和靈敏度，分析的線性范圍較寬。應(yīng)用于對(duì)乙酰氨基酚片中的PA的含量的測(cè)定，結(jié)果比較滿意。2  實(shí)驗(yàn)部分    2.1  儀器與試劑    CH660電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；IFISB型智能流動(dòng)注射進(jìn)樣器(西安瑞科電子科技有限公司)。三電極系統(tǒng)：MCNTsLCysAu/SAMsCME為工作電極；小面積鉑片電極為對(duì)電極，飽和甘汞電極

8、為參比電極；MCNTsLCysAu/SAMs修飾電極自制: 將用銅絲包裹金電極置于聚四氯乙烯螺帽中，另一端穿出，用環(huán)氧樹脂密封好，再進(jìn)行修飾制備，即得到MCNTsCysu/SAMsCME；MCNTs (清華大學(xué)，化工系納米研究所)；2×103 mol/L LCys 乙醇溶液: 準(zhǔn)確稱取0.0060 g LCys(上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，生化純)，以乙醇溶液溶解后定容至25 mL 棕色容量瓶，備用；1.00×103 mol/L的PA儲(chǔ)備液(用時(shí)現(xiàn)配)：準(zhǔn)確稱取0.1512 g PA（中國(guó)藥品生物制品檢定所），用二次蒸餾水定溶于100 mL棕色容量瓶中，使用時(shí)用二次蒸餾水

9、稀釋到所需濃度；2.00×103 mol/L KMnO4儲(chǔ)備液：準(zhǔn)確稱取0.0316 g KMnO4(西安化學(xué)試劑廠，分析純)，溶于0.05 mol/L H2SO4，定容于100 mL容量瓶。實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水，所用試劑均為分析純。    2.2  修飾方法    將待酸化處理的MCNTs用研缽粉碎，加入濃l超聲分散(5 h)除去其中金屬催化劑后，清洗至pH 56，加入濃HNO3回流8 h(140 )，去除其它碳化物雜質(zhì)，減小粉末間的團(tuán)聚，并打斷其中較長(zhǎng)的碳納米管，打開多壁碳納米管管端端帽，從而有效地增加碳納米管

10、的比表面積。用水稀釋、過(guò)濾，反復(fù)洗至中性。在120 下干燥，得到端口打開的功能化的MCNTs，待用。    將金電極( 1.0 mm)用4000#金相紗紙小心打磨，后用0.05 m A12O3粉拋光至鏡面，用大量二次蒸餾水沖洗后，依次用無(wú)水乙醇、二次水超聲波清洗，陽(yáng)極化預(yù)處理后將其置于0.05 mol/L H2SO4溶液中循環(huán)伏安掃描，至得到穩(wěn)定的CV曲線為止。    在25 mL的2×103 mol/L LCys乙醇溶液中加入12.5 mg已處理好的MCNTs, 同時(shí)，加入0.1200 g DCC, 超聲分散MCNTs 1

11、5 min后，得到黑色懸浮液，將其于陰暗處放置24 h, 至羧基化的MCNTs與LCys接合形成酰氨鍵，將處理好的金電極置于該溶液中自裝組12 h，取出，以高純氮?dú)饩徛蹈? 即得到MCNTsLCysAu/SAMsCME。用二次蒸餾水淋洗后置于0.05 mol/L H2SO4溶液中，在0.201.40 V之間循環(huán)掃描活化15 min后，以二次蒸餾水淋洗干凈，室溫保存, 待用。     2.3  實(shí)驗(yàn)方法    FIA雙安培檢測(cè)體系的流路見(jiàn)文獻(xiàn)7。閥池間距為30 cm，所用聚乙烯管內(nèi)徑為0.8 mm，兩電極間電位差(

12、E)控制為0 V。以0.05 mol/L H2SO4為載液(3.2 mL/min)流過(guò)修飾電極室，相同流速的2.00 mmol/L KMnO4溶液流過(guò)鉑電極室，由CH660電化學(xué)工作站記錄PA氧化電流隨時(shí)間的變化曲線，并進(jìn)行最小二乘法平滑處理。以峰高定量并繪制峰電流與PA濃度的校正曲線。連續(xù)測(cè)定，得到RSD值，同時(shí)對(duì)樣品處理后進(jìn)行分析測(cè)定及回收率實(shí)驗(yàn)。3  結(jié)果與討論    3.1  修飾電極制備條件的選擇及性能表征    3.1.1  LCys的濃度及介質(zhì)對(duì)修飾電極的影響  LCys作為MCN

13、Ts與金電極之間的聯(lián)接體，其濃度與介質(zhì)的選擇對(duì)電極的性能與穩(wěn)定性有重要影響。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，氨基烷醇用于SWCNTs自組裝修飾金電極是在乙醇介質(zhì)中完成的，選擇乙醇作為介質(zhì)具有良好的自組裝成膜效果。同時(shí),分別考察了1×103 、2×103 、5×103 mol/L 的LCys，發(fā)現(xiàn)低濃度LCys使MCNTs通過(guò)其形成的自組裝膜穩(wěn)定性較差，濃度過(guò)高會(huì)使MCNTs在金電極表面形成堆積，膜厚處較易脫落。綜合考慮，選擇2×103 mol/L LCys，并以乙醇作為介質(zhì)。    3.1.2  MCNTs用量對(duì)修飾電極形成的影響&#

14、160; MCNTs在金電極表面的覆蓋量對(duì)PA的氧化峰電流、電極的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性均會(huì)產(chǎn)生影響。結(jié)果表明，PA的氧化電流隨MCNTs用量的增加而逐漸增加，當(dāng)MCNTs含量為0.5 g/L時(shí)，PA的電流響應(yīng)達(dá)到最大且呈穩(wěn)定值。故本實(shí)驗(yàn)MCNTs的用量確定為0.5 g/L。    3.1.3  電極制備過(guò)程的循環(huán)伏安（CV）表征  利用Fe(CN)64/3為氧化還原探針，將裸Au、MCNTsLCysAu/SAMsCME于0.5 mmol/L Fe(CN)64/3/0.4 mol/L KNO3溶液中，進(jìn)行CV測(cè)試如圖1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，a. bare A

15、u electrode; b. MCNTsLCysAu/SAMsCME; 溶液(solution)：0.5 mmol/L Fe(CN)64/3/0.4 mol/L KNO3; 掃速(scan rate) v=100 mV/s； Cys: Lcysteine; SAMs: selfassembled monolayers。修飾后的電極在0.5 mmol/L Fe(CN)64/3/0.4 mol/L KNO3中的峰電流比裸金電極有顯著的增加。這說(shuō)明MCNTsLCys已經(jīng)在金電極表面形成了一層自組裝膜，增大了Fe(CN)64/3向金電極表面的擴(kuò)散，對(duì)Fe(CN)64/3電子的轉(zhuǎn)移起到了促進(jìn)的作用。&

16、#160;   3.2  MCNTsLCysAu/SAMsCME的電化學(xué)行為的研究    不同的電極在H2SO4電解質(zhì)中的循環(huán)伏安曲線不同。如圖2所示，在0.8424 V附近出現(xiàn)一明顯的不可逆還原峰P1，此峰對(duì)應(yīng)于氧化金的還原；同時(shí)，在1.1005 V處有一不可逆的氧化峰P2，此峰為金電極在電解質(zhì)中的氧化峰。其結(jié)果與文獻(xiàn)一致。    3.3  PA在MCNTsLCysAu/SAMsCME上的電化學(xué)行為    分別以Au和MCNTsLCysAu/SAMsCME作為工作

17、電極對(duì)PA進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，從圖3中可以看出，此修飾電極MCNTsLCysAu/SAMsCME對(duì)PA的電催化氧化作用極為明顯，P3為PA的不可逆氧化峰，峰電位由在裸金電極上的0.768 V降為0.727 V，且氧化峰電流增大約為原來(lái)的2倍。氧化過(guò)電位的降低更有利于與另一支鉑電極上MnO的不可逆還原電對(duì)耦合建立不可逆雙安培檢測(cè)體系。    3.4  MCNTsLCysAu/SAMsCME對(duì)PA的電催化氧化機(jī)理研究    將MCNTs酸化處理所得產(chǎn)品具有管端端帽打開，且羧基功能化，然后在多肽縮合劑DCC存在的介質(zhì)中，適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條

18、件與配比下，MCNTs通過(guò)酰氨鍵與LCys反應(yīng)接合，然后LCys上的SH基團(tuán)與金基底自組成修飾膜(如圖4所示)，從而構(gòu)建成MCNTs、LCys共組裝修飾金電極。    Fig.4  rocess of preparation for coassembling chemical modified electrodePA是酚類物質(zhì)，具有抗氧化活性，其結(jié)構(gòu)上的酚羥基很容易被氧化。MCNTsLCysAu/SAMsCME對(duì)PA的催化作用是由于LCys的氨基中的氮原子與PA中的酚羥基的氫原子易于形成氫鍵，氫鍵的形成易使苯環(huán)上羥基活化，削弱OH鍵的鍵能，電子容易通過(guò)N

19、HO鍵進(jìn)行傳遞，并且MCNTs所具備的優(yōu)良的導(dǎo)電性能也會(huì)很好的促進(jìn)電活性物質(zhì)的電子傳遞，進(jìn)而對(duì)PA的測(cè)定起到電催化氧化的作用，使其氧化峰的峰電流增大，電信號(hào)增強(qiáng)。研究表明， PA的化學(xué)氧化機(jī)理包含N乙?；鶎?duì)苯醌的形成，該物質(zhì)不穩(wěn)定，易水解成苯醌和乙酰胺14。    3.5  MCNTsLCysAu/SAMsCME上FIIB的建立    根據(jù)不可逆雙安培檢測(cè)原理可知，為了能在較小的E情況下，獲得較強(qiáng)且穩(wěn)定的電流信號(hào)，應(yīng)選擇一個(gè)有著相反電極反應(yīng)的、且半波電位相近的不可逆電對(duì)來(lái)與之耦合16。本實(shí)驗(yàn)選擇KMnO4。在+1.40.2

20、V電位范圍內(nèi)，考察MnO在鉑電極上(圖5a)和PA在MCNTsLCysAu/SAMsCME (圖5b)上的循環(huán)伏安行為。從圖5可以看出，在0.256 V處的P4為氧化鉑的還原峰，在0.794 V左右處出現(xiàn)的P5為MnO還原為Mn2+的不可逆還原峰，而PA的不可逆氧化電對(duì)電位出現(xiàn)在0.727 V處,且峰電位之差僅為67 mV左右。又由于二者為各自獨(dú)立的、不可逆的電對(duì)，通過(guò)耦合PA的氧化和MnO的還原，建立了不可逆電對(duì)體系的雙安培檢測(cè)方法，選擇合適的外加電位差，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)PA的分析測(cè)定。由于兩者溶液混合發(fā)生均相溶液反應(yīng)，故將二者隔離在兩個(gè)獨(dú)立的電極室中，回路以鹽橋相連接。  &

21、#160; 3.6  最佳實(shí)驗(yàn)條件的選擇    根據(jù)不可逆雙安培的理論及檢測(cè)要求，考察了支持電解質(zhì)、工作電極間外加電位差的影響、KMnO4溶液的濃度、進(jìn)樣體積和流速。綜合考慮，支持電解質(zhì)選用0.05 mol/L H2SO4，外加電位差E為0 V，KMnO4溶液的濃度為2.0×103 mol/L15，進(jìn)樣體積為120 L，流速為3.2 mL/min，閥池間距對(duì)電流信號(hào)無(wú)明顯影響，選擇30 cm。    3.7  線性范圍、檢出限    在選定的最佳條件下，記錄不同濃度PA標(biāo)準(zhǔn)溶

22、液在修飾電極上的電流響應(yīng)曲線，并由峰電流對(duì)其濃度繪制校準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明，PA的氧化峰峰電流與其濃度在2.0×1062.0×104 mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，其線性回歸方程為i(nA)=8.21×107C+200（r=0.9984, n=9），在2.0×104×103 mol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，其線性回歸方程為i(nA)=2.30×107C+104 (r=0.9938, n=4)，方法檢出限為1.0×106 mol/L（S/N=3）。連續(xù)測(cè)定1.00×104 mol/L的PA標(biāo)準(zhǔn)溶液20次，電流值RSD為2

23、.%，進(jìn)樣頻率為90樣/h。    3.8  MCNTsLCysAu/SAMsCME電極的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性    在選定的最佳條件下，MCNTsLCysAu/SAMsCME對(duì)1.0×104 mol/L PA溶液進(jìn)行雙安培測(cè)定，在連續(xù)測(cè)定20次后，峰電流值的RSD為2.68%，表明該修飾電極具有較好的重現(xiàn)性。將修飾電極置于室溫、陰暗處存放14 d后，PA響應(yīng)的電流為開始的94.596.5%，表明電極的穩(wěn)定性較好。    3.9  常見(jiàn)干擾物質(zhì)的影響  

24、0; 在選定的最佳條件下，以常見(jiàn)的無(wú)機(jī)離子等共存物質(zhì)對(duì)修飾電極進(jìn)行干擾實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)定4.00×105 mol/L PA,在對(duì)測(cè)量信號(hào)影響不超過(guò)±5%的條件下，500倍的Mg2+、K+、Cu2+、Al3+、Pb2+、Na+、淀粉、蔗糖、甘露醇;100倍Ca2+、CO3、PO4、NO3；50倍的葡萄糖、蘋果酸等對(duì)PA的測(cè)定均不產(chǎn)表1  樣品分析結(jié)果    3.10  樣品中PA的測(cè)定及加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)    取PA片（含0.5 g/片）10片，研磨成粉。準(zhǔn)確稱取相當(dāng)于一片的量，用二次蒸餾水溶解，然

25、后超聲波振蕩10 min，砂芯漏斗過(guò)濾，濾渣用二次蒸餾水沖洗3次，定容至250 mL 棕色容量瓶中，從中吸取1 mL定容于100 mL 棕色容量瓶中。按此實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，藥片中PA含量為0.45 g/片，RSD為5.33%(n=5)。并對(duì)上述樣品進(jìn)行回收率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。    【參考文獻(xiàn)】  1 Dong Y M, Chen X F, Chen Y, Chen X G. Journal of Lanzhou University(Natural Science)（蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)，自然科學(xué)版）, 2005, 41(5): 6568 

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