对乙酰氨基酚在多壁碳纳米管L半胱氨酸共组装修饰金电极上的电化学行为研究及其测定

1、对乙酰氨基酚在多壁碳纳米管L半胱氨酸共组装修饰金电极上的电化学行为研究及其测定        【摘要】     在N,N二环已基碳酰亚胺(DCC)存在介质下,通过酰氨键使羧基化的多壁碳纳米管(MCNTs)与L半胱氨酸(LCys)缩合，功能化的MCNTs通过SAu键自组装(SAMs)到金电极表面，制备了修饰电极(MCNTsLCysAu/SAMsCME),并对电极的表面结构进行电化学表征。研究表明,该修饰电极对对乙酰氨基酚的电化学氧化具有明显的催化作用。同时, 对其催化

2、氧化的机理进行了初步探讨。将此修饰电极用于流动注射不可逆双安培(FIIB)体系的构建, 即利用对乙酰氨基酚在MCNTsLCysAu/SAMsCME上的氧化和KMnO4在另一支铂电极上的还原构建了双安培检测体系，成功的建立了在外加电压为0 V条件下流动注射双安培法直接测定对乙酰氨基酚的新方法。在0 V外加电压下，在0.05 mol/L硫酸载液中，该氧化峰峰电流与对乙酰氨基酚浓度在2.0×1062.0×104 mol/L范围内呈良好的线性关系，其线性回归方程为i(nA)=8.21×107C+200(r=0.9984, n=9)； 在2.0×1041.0

3、15;103 mol/L范围内呈线性关系，其线性回归方程为i(nA)=2.30×107C+104(r=0.9938, n=4)，方法检出限为1.0×106 mol/L (S/N=3)； 连续测定1.00×104 mol/L对乙酰氨基酚标准溶液20次，电流值RSD为2.%，进样频率为90样/h。该方法具有较高的选择性和灵敏度。对乙酰氨基酚片中的对乙酰氨基酚的含量的测定，结果比较满意。     【关键词】  金电极,不可逆双安培法, 多壁纳米碳管，半胱氨酸，修饰电极，对乙酰氨基酚   &#

4、160;1  引  言    对乙酰氨基酚(paracetamol, PA)，俗称扑热息痛，为乙酰苯胺类药物，具有解热、镇痛的功效。主要用于感冒发烧、关节痛、神经痛及偏头痛及手术后止痛等。因此，其分析测定方法在临床医学及药理学研究方面有重要意义。目前测定的方法主要有分光光度法1、薄层扫描法2、色谱法3、化学发光4和电化学方法5等。       不可逆双安培法(irreversible biamperometry, IB)是通过耦合两个各自独立的、具有相反电极反应过程的不可逆电对来构建双

5、安培体系6。该方法与流动注射联用在非常小的外加电压(甚至0 V)也可以快捷、准确地实现对分析物的检测，具有较好选择性和较高灵敏度。该方法已成功地应用于阿魏酸7等物质的测定。    碳纳米管(CNTs)因其具有诸多奇特的物理化学性质而广泛用于材料、物理、化学等领域，依据其原子结构的不同，CNTs既可以表现出金属性又可以表现出半导体性。研究表明，当碳纳米管用作电极材料时，能够提高电子转移能力，增强导电性，从而使修饰电极具有优良的电化学性质、高的稳定性及电催化性。纳米碳管是单层或多层石墨沿中心轴旋转而形成的一维管状结构，可分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(

6、MCNTs)两类。由于MCNTs的价格比较低廉，所以应用更为广泛。目前有关多壁碳纳米管的电化学分析的研究已有很多报道。如测定葡萄糖、维生素B12、双氯芬酸钠1等。    在DCC存在的介质体系中，羧基化的MCNTs与半胱氨酸（LCys）形成酰氨键，利用LCys中SH键与金电极通过共价键形成SAu，组装于金丝表面。实现了在金电极上的MCNTs的化学修饰, 并对所得修饰电极进行了电化学的表征，比较了PA在裸电极上与修饰电极上的电化学行为，结果表明，此修饰电极对PA的电化学氧化具有显著的催化作用。基于FIIB检测原理，利用PA在MCNTsLCysAu/SAMsCME的氧

7、化和KMnO4在另一铂电极上的还原构建不可逆双安培检测新体系。结果显示，在外加电位差(E)为0 V时，可实现对PA准确、快速的分析测定，并具有良好的重现性，且方法具有较高的选择性和灵敏度，分析的线性范围较宽。应用于对乙酰氨基酚片中的PA的含量的测定，结果比较满意。2  实验部分    2.1  仪器与试剂    CH660电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；IFISB型智能流动注射进样器(西安瑞科电子科技有限公司)。三电极系统：MCNTsLCysAu/SAMsCME为工作电极；小面积铂片电极为对电极，饱和甘汞电极

8、为参比电极；MCNTsLCysAu/SAMs修饰电极自制: 将用铜丝包裹金电极置于聚四氯乙烯螺帽中，另一端穿出，用环氧树脂密封好，再进行修饰制备，即得到MCNTsCysu/SAMsCME；MCNTs (清华大学，化工系纳米研究所)；2×103 mol/L LCys 乙醇溶液: 准确称取0.0060 g LCys(上海国药集团化学试剂有限公司，生化纯)，以乙醇溶液溶解后定容至25 mL 棕色容量瓶，备用；1.00×103 mol/L的PA储备液(用时现配)：准确称取0.1512 g PA（中国药品生物制品检定所），用二次蒸馏水定溶于100 mL棕色容量瓶中，使用时用二次蒸馏水

9、稀释到所需浓度；2.00×103 mol/L KMnO4储备液：准确称取0.0316 g KMnO4(西安化学试剂厂，分析纯)，溶于0.05 mol/L H2SO4，定容于100 mL容量瓶。实验用水为二次蒸馏水，所用试剂均为分析纯。    2.2  修饰方法    将待酸化处理的MCNTs用研钵粉碎，加入浓l超声分散(5 h)除去其中金属催化剂后，清洗至pH 56，加入浓HNO3回流8 h(140 )，去除其它碳化物杂质，减小粉末间的团聚，并打断其中较长的碳纳米管，打开多壁碳纳米管管端端帽，从而有效地增加碳纳米管

10、的比表面积。用水稀释、过滤，反复洗至中性。在120 下干燥，得到端口打开的功能化的MCNTs，待用。    将金电极( 1.0 mm)用4000#金相纱纸小心打磨，后用0.05 m A12O3粉抛光至镜面，用大量二次蒸馏水冲洗后，依次用无水乙醇、二次水超声波清洗，阳极化预处理后将其置于0.05 mol/L H2SO4溶液中循环伏安扫描，至得到稳定的CV曲线为止。    在25 mL的2×103 mol/L LCys乙醇溶液中加入12.5 mg已处理好的MCNTs, 同时，加入0.1200 g DCC, 超声分散MCNTs 1

11、5 min后，得到黑色悬浮液，将其于阴暗处放置24 h, 至羧基化的MCNTs与LCys接合形成酰氨键，将处理好的金电极置于该溶液中自装组12 h，取出，以高纯氮气缓慢吹干, 即得到MCNTsLCysAu/SAMsCME。用二次蒸馏水淋洗后置于0.05 mol/L H2SO4溶液中，在0.201.40 V之间循环扫描活化15 min后，以二次蒸馏水淋洗干净，室温保存, 待用。     2.3  实验方法    FIA双安培检测体系的流路见文献7。阀池间距为30 cm，所用聚乙烯管内径为0.8 mm，两电极间电位差(

12、E)控制为0 V。以0.05 mol/L H2SO4为载液(3.2 mL/min)流过修饰电极室，相同流速的2.00 mmol/L KMnO4溶液流过铂电极室，由CH660电化学工作站记录PA氧化电流随时间的变化曲线，并进行最小二乘法平滑处理。以峰高定量并绘制峰电流与PA浓度的校正曲线。连续测定，得到RSD值，同时对样品处理后进行分析测定及回收率实验。3  结果与讨论    3.1  修饰电极制备条件的选择及性能表征    3.1.1  LCys的浓度及介质对修饰电极的影响  LCys作为MCN

13、Ts与金电极之间的联接体，其浓度与介质的选择对电极的性能与稳定性有重要影响。据文献报道，氨基烷醇用于SWCNTs自组装修饰金电极是在乙醇介质中完成的，选择乙醇作为介质具有良好的自组装成膜效果。同时,分别考察了1×103 、2×103 、5×103 mol/L 的LCys，发现低浓度LCys使MCNTs通过其形成的自组装膜稳定性较差，浓度过高会使MCNTs在金电极表面形成堆积，膜厚处较易脱落。综合考虑，选择2×103 mol/L LCys，并以乙醇作为介质。    3.1.2  MCNTs用量对修饰电极形成的影响&#

14、160; MCNTs在金电极表面的覆盖量对PA的氧化峰电流、电极的稳定性与重现性均会产生影响。结果表明，PA的氧化电流随MCNTs用量的增加而逐渐增加，当MCNTs含量为0.5 g/L时，PA的电流响应达到最大且呈稳定值。故本实验MCNTs的用量确定为0.5 g/L。    3.1.3  电极制备过程的循环伏安（CV）表征  利用Fe(CN)64/3为氧化还原探针，将裸Au、MCNTsLCysAu/SAMsCME于0.5 mmol/L Fe(CN)64/3/0.4 mol/L KNO3溶液中，进行CV测试如图1所示。结果发现，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; 扫速(scan rate) v=100 mV/s； Cys: Lcysteine; SAMs: selfassembled monolayers。修饰后的电极在0.5 mmol/L Fe(CN)64/3/0.4 mol/L KNO3中的峰电流比裸金电极有显著的增加。这说明MCNTsLCys已经在金电极表面形成了一层自组装膜，增大了Fe(CN)64/3向金电极表面的扩散，对Fe(CN)64/3电子的转移起到了促进的作用。&

16、#160;   3.2  MCNTsLCysAu/SAMsCME的电化学行为的研究    不同的电极在H2SO4电解质中的循环伏安曲线不同。如图2所示，在0.8424 V附近出现一明显的不可逆还原峰P1，此峰对应于氧化金的还原；同时，在1.1005 V处有一不可逆的氧化峰P2，此峰为金电极在电解质中的氧化峰。其结果与文献一致。    3.3  PA在MCNTsLCysAu/SAMsCME上的电化学行为    分别以Au和MCNTsLCysAu/SAMsCME作为工作

17、电极对PA进行循环伏安扫描，从图3中可以看出，此修饰电极MCNTsLCysAu/SAMsCME对PA的电催化氧化作用极为明显，P3为PA的不可逆氧化峰，峰电位由在裸金电极上的0.768 V降为0.727 V，且氧化峰电流增大约为原来的2倍。氧化过电位的降低更有利于与另一支铂电极上MnO的不可逆还原电对耦合建立不可逆双安培检测体系。    3.4  MCNTsLCysAu/SAMsCME对PA的电催化氧化机理研究    将MCNTs酸化处理所得产品具有管端端帽打开，且羧基功能化，然后在多肽缩合剂DCC存在的介质中，适当的反应条

18、件与配比下，MCNTs通过酰氨键与LCys反应接合，然后LCys上的SH基团与金基底自组成修饰膜(如图4所示)，从而构建成MCNTs、LCys共组装修饰金电极。    Fig.4  rocess of preparation for coassembling chemical modified electrodePA是酚类物质，具有抗氧化活性，其结构上的酚羟基很容易被氧化。MCNTsLCysAu/SAMsCME对PA的催化作用是由于LCys的氨基中的氮原子与PA中的酚羟基的氢原子易于形成氢键，氢键的形成易使苯环上羟基活化，削弱OH键的键能，电子容易通过N

19、HO键进行传递，并且MCNTs所具备的优良的导电性能也会很好的促进电活性物质的电子传递，进而对PA的测定起到电催化氧化的作用，使其氧化峰的峰电流增大，电信号增强。研究表明， PA的化学氧化机理包含N乙酰基对苯醌的形成，该物质不稳定，易水解成苯醌和乙酰胺14。    3.5  MCNTsLCysAu/SAMsCME上FIIB的建立    根据不可逆双安培检测原理可知，为了能在较小的E情况下，获得较强且稳定的电流信号，应选择一个有着相反电极反应的、且半波电位相近的不可逆电对来与之耦合16。本实验选择KMnO4。在+1.40.2

20、V电位范围内，考察MnO在铂电极上(图5a)和PA在MCNTsLCysAu/SAMsCME (图5b)上的循环伏安行为。从图5可以看出，在0.256 V处的P4为氧化铂的还原峰，在0.794 V左右处出现的P5为MnO还原为Mn2+的不可逆还原峰，而PA的不可逆氧化电对电位出现在0.727 V处,且峰电位之差仅为67 mV左右。又由于二者为各自独立的、不可逆的电对，通过耦合PA的氧化和MnO的还原，建立了不可逆电对体系的双安培检测方法，选择合适的外加电位差，即可实现对PA的分析测定。由于两者溶液混合发生均相溶液反应，故将二者隔离在两个独立的电极室中，回路以盐桥相连接。  &

21、#160; 3.6  最佳实验条件的选择    根据不可逆双安培的理论及检测要求，考察了支持电解质、工作电极间外加电位差的影响、KMnO4溶液的浓度、进样体积和流速。综合考虑，支持电解质选用0.05 mol/L H2SO4，外加电位差E为0 V，KMnO4溶液的浓度为2.0×103 mol/L15，进样体积为120 L，流速为3.2 mL/min，阀池间距对电流信号无明显影响，选择30 cm。    3.7  线性范围、检出限    在选定的最佳条件下，记录不同浓度PA标准溶

22、液在修饰电极上的电流响应曲线，并由峰电流对其浓度绘制校准曲线。结果表明，PA的氧化峰峰电流与其浓度在2.0×1062.0×104 mol/L范围内呈良好的线性关系，其线性回归方程为i(nA)=8.21×107C+200（r=0.9984, n=9），在2.0×104×103 mol/L范围内呈线性关系，其线性回归方程为i(nA)=2.30×107C+104 (r=0.9938, n=4)，方法检出限为1.0×106 mol/L（S/N=3）。连续测定1.00×104 mol/L的PA标准溶液20次，电流值RSD为2

23、.%，进样频率为90样/h。    3.8  MCNTsLCysAu/SAMsCME电极的稳定性和重现性    在选定的最佳条件下，MCNTsLCysAu/SAMsCME对1.0×104 mol/L PA溶液进行双安培测定，在连续测定20次后，峰电流值的RSD为2.68%，表明该修饰电极具有较好的重现性。将修饰电极置于室温、阴暗处存放14 d后，PA响应的电流为开始的94.596.5%，表明电极的稳定性较好。    3.9  常见干扰物质的影响  

24、0; 在选定的最佳条件下，以常见的无机离子等共存物质对修饰电极进行干扰实验。实验表明，测定4.00×105 mol/L PA,在对测量信号影响不超过±5%的条件下，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、苹果酸等对PA的测定均不产表1  样品分析结果    3.10  样品中PA的测定及加标回收实验    取PA片（含0.5 g/片）10片，研磨成粉。准确称取相当于一片的量，用二次蒸馏水溶解，然

25、后超声波振荡10 min，砂芯漏斗过滤，滤渣用二次蒸馏水冲洗3次，定容至250 mL 棕色容量瓶中，从中吸取1 mL定容于100 mL 棕色容量瓶中。按此实验方法测定，药片中PA含量为0.45 g/片，RSD为5.33%(n=5)。并对上述样品进行回收率实验，结果如表1所示。    【参考文献】  1 Dong Y M, Chen X F, Chen Y, Chen X G. Journal of Lanzhou University(Natural Science)（兰州大学学报，自然科学版）, 2005, 41(5): 6568 

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