三維石墨烯多壁碳納米管修飾電極的制備及對(duì)甲巰咪唑的測(cè)定

梁寧剛,李娟娟,蔡卓,蔣翠文,葉丹妮

(廣西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,廣西 南寧 530004)

0 引言

甲巰咪唑是一種抗甲狀腺藥物,其藥物機(jī)理是通過抑制甲狀腺內(nèi)存在的過氧化酶,從而阻斷甲狀腺內(nèi)的碘化物的氧化作用[1]。研究表明,甲巰咪唑能與體內(nèi)的次磺酸和亞磺酸作用產(chǎn)生亞硝酸鹽和N-甲基咪唑[2],會(huì)引起腎炎、肝硬化、咽炎、發(fā)燒等不良癥狀[3]。因此,對(duì)于藥片中甲巰咪唑含量的檢測(cè)是具有重要意義的。

目前用于檢測(cè)甲巰咪唑的分析方法有液相色譜-紫外檢測(cè)法[4-5]、高相液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[6]、氣液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[7]、反相高效液相色譜法[8]、流動(dòng)注射分光光度法[9]、共振光散射光譜法[10]、熒光探針法[11]和毛細(xì)管電泳[12]。電化學(xué)方法因其儀器成本低、靈敏度高、操作方法簡(jiǎn)單、分析速度快等特點(diǎn)而備受關(guān)注。Shahrokhian等[13]制備了鈷基希夫堿修飾碳糊電極,并對(duì)甲巰咪唑進(jìn)行分析檢測(cè),其方法檢出限為5.0×10-7mol/L;Molero等[14]制備了摻氟氧化錫修飾電極,通過方波伏安法對(duì)甲巰咪唑進(jìn)行分析檢測(cè),其方法檢出限達(dá)1.98×10-6mol/L。

三維石墨烯(3DGR)具有比二維石墨烯更強(qiáng)的導(dǎo)電性、更大的比表面積以及多孔結(jié)構(gòu)的性質(zhì)[15],目前已成為修飾電極材料的研究熱點(diǎn)[16],目前未見有關(guān)三維石墨烯修飾電極測(cè)定甲巰咪唑的分析方法。本文制備了三維石墨烯/多壁碳納米管修飾電極,并用于甲巰咪唑的分析研究中,建立一種測(cè)定甲巰咪唑含量的電化學(xué)新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

CS350型電化學(xué)工作站(武漢科思特儀器有限公司),三電極體系:3DGR/MWCNTs/GCE為工作電極,Pt電極為輔助電極,飽和甘汞電極為參比電極;SU8220型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立高新技術(shù)公司);PHS-3C型pH計(jì)(上海精密儀器科學(xué)有限公司)。

石墨烯三維構(gòu)造粉體(廣西大學(xué)可再生能源材料協(xié)同創(chuàng)新中心);多壁碳納米管(中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)所);甲巰咪唑片(產(chǎn)品批號(hào):110701,廣東華南藥業(yè)集團(tuán)有限公司);甲巰咪唑標(biāo)準(zhǔn)品(上海麥克林試劑公司);實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水;其他試劑均為分析純。

1.2 修飾電極的制備

玻碳電極的預(yù)處理:將玻碳電極用α-氧化鋁懸濁液拋光至鏡面,去離子水沖洗后,分別在硝酸(1∶1,VHNO3/VH2O)、無水乙醇、去離子水中超聲清洗3 min,然后在紅外燈下烘干,備用。

多壁碳納米管(MWCNTs)的預(yù)處理[17]:將定量的多壁碳納米管超聲分散于100 mL的濃鹽酸4 h,待洗至中性后,再超聲分散于100 mL混酸(V濃硫酸∶V濃硝酸=1∶3) 6 h,用去離子水洗至中性,最后100℃下干燥12 h后即可。

3DGR/MWCNTs/GCE的制備:準(zhǔn)確稱量5 mg三維石墨烯粉體和5 mg 預(yù)處理過的MWCNTs超聲分散于10 mL DMF中,形成穩(wěn)定均勻的3DGR/MWCNTs分散液。移取15 μL 3DGR/MWCNTs分散液,滴涂于處理過的GCE表面,自然晾干,制得3DGR/MWCNTs/GCE。

2 結(jié)果與討論

2.1 3DGR、MWCNTs和3DGR/MWCNTs的結(jié)構(gòu)表征

圖1為三維石墨烯、多壁碳納米管、三維石墨烯/多壁碳納米管的掃描電鏡圖。三維石墨烯具有三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)(圖1A),多壁碳納米管由無數(shù)細(xì)長(zhǎng)的絲狀物纏繞組成(圖1B);當(dāng)兩者復(fù)合時(shí),三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)表面附著許多絲狀物,說明多壁碳納米管已經(jīng)成功復(fù)合在三維石墨烯表面(圖1C)。

Fig.1 SEM of 3DGR(A)、MWCNTs(B) and 3DGR/MWCNTs(C)圖1 3DGR(A)、MWCNTs(B)和3DGR/MWCNTs(C)的掃描電子顯微鏡圖

2.2 修飾電極的交流阻抗圖譜分析

圖2為不同電極在含有5.0×10-5mol/L Fe(CN)63-/4-(1∶1)的0.10 mol/L KCl溶液中的交流阻抗圖譜?？梢钥闯?探針離子Fe(CN)63-/4-在所有電極上于高頻區(qū)都出現(xiàn)明顯的半圓形阻抗圖譜,而在低頻區(qū)部分的基本是一條直線,說明Fe(CN)63-/4-在這些電極上反應(yīng)時(shí)都存在一定的電子轉(zhuǎn)移電阻Rct。其中在GCE上的Rct最大(曲線a);在3DGR/GCE(曲線b)和MWCNTs/GCE上(曲線c),Rct逐漸降低,表明在GCE表面修飾了MWCNTs或3DGR后,電極的導(dǎo)電情況得到一定的改善;而在GCE上修飾了3DGR/MWCNTs材料后,Rct最小(曲線d),說明3DGR/MWCNTs/GCE具有良好的導(dǎo)電性,且比MWCNTs/GCE或3DGR/GCE都好。

Frequency range:0.001～105 Hz.Fig.2 EIS of GCE(a),3DGR/GCE (b),MWCNTs/GCE (c) and 3DGR/MWCNTs/GCE (d) in 0.1 mol/L KCl containing 5×10-5 mol/L Fe(CN)63-/4-(1∶1). 頻率范圍:0.001～105 Hz圖2 GCE (a)、3DGR/GCE (b)、MWCNTs/GCE (c)和3DGR/MWCNTs/GCE (d) 在含有5×10-5 mol/L Fe(CN)63-/4-(1∶1)的0.1 mol/L KCl的交流阻抗圖

2.3 修飾電極的電催化性能分析

圖3為1.0×10-4mol/L甲巰咪唑在不同電極上的循環(huán)伏安圖?？梢?甲巰咪唑在玻碳電極上沒有伏安響應(yīng)(圖3a),在3DGR/GCE上于+0.580 V和+0.129 V處出現(xiàn)較微弱的氧化峰和還原峰(圖3b);在MWCNTs/GCE上于+0.440 V和+0.169 V出現(xiàn)了較明顯的氧化峰和還原峰(圖3c),而在3DGR/MWCNTs/GCE上于+0.428 V和+0.148 V處出現(xiàn)了很強(qiáng)的氧化峰和還原峰(圖3d),說明3DGR/MWCNTs/GCE對(duì)甲巰咪唑的電化學(xué)氧化還原具有良好的催化作用,且優(yōu)于MWCNTs/GCE和3DGR/GCE。從圖3還可以看出,甲巰咪唑在3DGR/MWCNTs/GCE上的電極反應(yīng)是一個(gè)氧化還原過程。

Fig.3 Cyclic voltammograms of 1×10-4 mol/L of methimazole at GCE(a), 3DGR/GCE(b),MWCNTs/GCE(c) and 3DGR/MWCNTs/GCE(d)圖3 1×10-4 mol/L甲巰咪唑在GCE(a)、3DGR/GCE(b)、 MWCNTs/GCE(c)、3DGR/MWCNTs/GCE(d)上的循環(huán)伏安圖

2.4 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.4.1 電解質(zhì)的選擇

采用循環(huán)伏安法(CV)考察了甲巰咪唑在檸檬酸三鈉-檸檬酸、NaH2PO4-Na2HPO4、NaAc-HAc、NH4Ac-HAc、NaHCO3-Na2CO3、Tris-HCl、B-R緩沖液(均為0.20 mo1/L)中的電化學(xué)行為。比較可得,當(dāng)B-R緩沖液作為支持電解質(zhì)時(shí),甲巰咪唑在3DGR/MWCNTs/GCE的伏安圖最好,所以選擇的電解質(zhì)為B-R緩沖液。

2.4.2 修飾量的選擇

考察了3DGR/MWCNTs修飾劑的用量對(duì)甲巰咪唑的氧化峰電流的影響。在10～15 μL范圍內(nèi),氧化峰電流逐漸增大,修飾劑用量大于15 μL時(shí),氧化峰電流則逐漸降低?？赡苁切揎椨昧康脑黾訉?dǎo)致電極表面修飾膜層增厚,使電極的電阻增大,導(dǎo)電性下降之故。因此修飾劑用量為15 μL最佳。

2.4.3 pH的選擇

考察了B-R緩沖溶液在pH1.8～5.7范圍內(nèi)對(duì)甲巰咪唑的氧化峰電位(Epa)及峰電流(Ipa)的影響。圖4A為1.0×10-4mol/L 的甲巰咪唑在0.20 mol/L B-R緩沖溶液中的線性掃描伏安圖,氧化峰電位隨著體系pH增大而逐漸負(fù)移,二者之間有良好的線性關(guān)系(圖4B),線性回歸方程為Epa(V)=0.551 1-0.056 4 pH (R2=0.987 4),表明有質(zhì)子參與了甲巰咪唑的電化學(xué)反應(yīng)。而氧化峰電流(Ipa)在pH1.8～5.7范圍內(nèi)隨pH值的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),在pH2.6時(shí)峰電流達(dá)到最大,故選擇測(cè)定體系的pH為2.6。

Fig.4 (A)Linear voltammograms of 1.0×10-3 mol/L of methimazole in 0.20 mol/L B-R solution with different pH (a→g:1.8,2.2,2.6,3.3,4.1,5.0,5.7).(B)The effect of pH on oxidation peak potential.圖4 (A)1.0×10-4 mol/L 的甲巰咪唑在不同pH的 0.20 mol/L 的B-R緩沖溶液中的線性掃描伏安圖;(B)pH對(duì)氧化峰電位的影響。

2.4.4 掃描速率的選擇

圖5A為1.0×10-4mol/L甲巰咪唑在不同掃描速率下的循環(huán)伏安圖?？梢?掃描速率越大,氧化峰電流越大,氧化峰電位越高。甲巰咪唑氧化峰電位(Epa)掃描速率的對(duì)數(shù)呈良好的線性關(guān)系(圖5B),線性回歸方程為Epa(μA)=0.032 1 lnv+0.272 4 (R2=0.964 6);甲巰咪唑的氧化峰電流(Ipa)與掃描速率的平方根(v1/2)呈良好的線性關(guān)系(圖5C),線性回歸方程為Ipa(μA)=1.228 0v1/20.164 7 (R2=0.966),表明該電極反應(yīng)過程是受擴(kuò)散控制。本實(shí)驗(yàn)選擇的掃描速率為100 mV/s。

Fig.5 (A) Cyclic voltammograms of 1.0×10-4 mol/L of methimazole with different scan rate(a→g:25,50,75,100,125,150,175 mV/s); (B)The effect of lnv on peak potential;(C)The effect of v1/2 on peak current圖5 (A)1.0×10-4mol/L的甲巰咪唑在不同掃描速率下的循環(huán)伏安圖(a→g:25,50,75,100,125,150,175 mV/s);(B)掃描速率的平方根對(duì)峰電流的影響。(C)掃描速率的對(duì)數(shù)對(duì)峰電位的影響

2.4.5 掃描電位范圍的選擇

在含有1.0×10-4mol/L甲巰咪唑的0.20 mol/L的BR(pH=2.6)溶液中,以不同電位范圍進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描電位范圍為-0.2～+1.0 V時(shí),峰型最好,故選擇掃描電位為-0.2～+1.0 V。

綜上所述,用3DGR/MWCNTs/GCE測(cè)定甲巰咪唑的最佳實(shí)驗(yàn)條件是支持電解質(zhì)為0.20 mol/L B-R緩沖溶液,pH=2.6;修飾量為15 μL,掃描電位范圍為-0.2～+1.0 V,掃描速率為100 mV/s。

2.5 電極反應(yīng)過程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定

2.5.1 電子轉(zhuǎn)移數(shù)的確定

以3DGR/MWCNTs/GCE為工作電極,對(duì)1 mL 1.0×106mol/L的甲巰咪唑進(jìn)行恒電位電解。電解甲巰咪唑?qū)嶋H消耗的凈電量為2.231 0×10-4C,根據(jù)法拉第定律n=Q/F(CV),算得電子轉(zhuǎn)移數(shù)n≈2。

2.5.2 電子轉(zhuǎn)移系數(shù)的確定

由2.4.4節(jié)可知,氧化峰電位與掃描速率的對(duì)數(shù)的線性回歸方程為Epa(V)=0.032 1 lnv+0.272 4 (R2=0.964 6)。由Laviron方程[18]:Ep=A+[RT/(1-α)nF] lnv,對(duì)比可算得電子轉(zhuǎn)移系數(shù)α=0.599 8。

2.5.3 電極反應(yīng)質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)的確定

由2.4.3節(jié)可知,氧化峰電位與pH值之間的線性回歸方程為Epa(V)=0.551 1-0.056 4pH (R2=0.997 3),根據(jù)Nernst方程有Ep=E-(0.059m/n)pH,因此0.059m/n=0.056 4,當(dāng)n=2時(shí),m≈2。即電極反應(yīng)質(zhì)子轉(zhuǎn)移數(shù)為2。

2.5.4 電極有效面積A

以3DGR/MWCNTs/GCE為工作電極,在不同掃描速率下對(duì)含0.05 mol/L K3[Fe(CN)6]的0.1 mol/L KCl溶液進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)定,得到的氧化峰電流與掃描速率的平方根的線性方程為Ipa(μA)=229 3v1/2(V/s)1/2+44.81.根據(jù)Randles-Sevcik公式[19]:Ip=2.69×105n3/2AD1/2Cv1/2.可算出3DGR/MWCNTs/GCE修飾電極的有效面積為 0.061 8 cm2。

2.5.5 擴(kuò)散系數(shù)D

在pH=2.6的B-R溶液中對(duì)1.0×10-4mol/L甲巰咪唑的進(jìn)行計(jì)時(shí)電量分析,作Q～t1/2的關(guān)系圖,兩者的線性方程為:Q=2.507 2×10-6t1/2+4.747 6×10-8(R=0.993 3).根據(jù)Cottrell方程[20]:Q=2nFACD1/2π-1/2t1/2+Qad+Qads,計(jì)算得出甲巰咪唑在B-R緩沖溶液的擴(kuò)散系數(shù)D=3.461 4×10-6cm2/s.

2.5.6 電極反應(yīng)機(jī)理推測(cè)

由2.4.1和2.43可知,甲巰咪唑在3DGR/MWCNTs/GCE上是一個(gè)雙電子、雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移的電化學(xué)過程,其可能的反應(yīng)機(jī)理如圖6所示,與文獻(xiàn)[21]相符。

Fig.6 Electrochemical mechanism of methimazole at 3DGR/MWCNTs/GCE圖6 甲巰咪唑在3DGR/MWCNTs/GCE的電化學(xué)機(jī)理

2.6 體系的線性范圍及檢出限

在0.20 mol/L B-R溶液(pH=2.6),對(duì)不同濃度的甲巰咪唑做線性掃描伏安圖(LSV)。在1.0×10-6～1.0×10-4mol/L范圍內(nèi),峰電流與甲巰咪唑的濃度的回歸方程為Ip(μA)=0.096 8C(μmol/L)+2.891 4 (R2=0.986 9),方法檢出限(S/N=3)為5.94×10-7mol/L。

Insert is the calibration curve of methimazoleFig.7 LSV of methimazole with different concetation(a→g:1,5,20,40,60,80,100 μmol/L).插圖是甲巰咪唑的工作曲線圖7 不同濃度甲巰咪唑的線性掃描伏安圖

2.7 電極的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

用同一只電極對(duì)1.0×10-4mol/L甲巰咪唑連續(xù)平行測(cè)定11次,其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.2%;將該電極室溫放置10 d,再對(duì)同一濃度的甲巰咪唑進(jìn)行檢測(cè),其結(jié)果變化不大,表明該電極的穩(wěn)定性良好。

2.8 干擾實(shí)驗(yàn)

考察了片劑中常見添加物對(duì)甲巰咪唑(1.0×10-5mol/L)的影響。結(jié)果表明,在相對(duì)誤差不超過5%的條件下,100倍的硬脂酸鎂、葡萄糖、乳糖、果糖、淀粉、Cl-、NO3-、Ca2+對(duì)測(cè)定無干擾,表明電極的選擇性良好。

2.9 樣品測(cè)定及加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取10片甲巰咪唑片(標(biāo)示量為5 mg/片),研磨成均勻粉末,稱取相當(dāng)于一片質(zhì)量的樣品,用去離子水溶解定容于100 mL容量瓶中。在2.5節(jié)選定的條件下平行測(cè)定5次,并與紫外分光光度法進(jìn)行對(duì)比于表1,加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2。經(jīng)過t值檢驗(yàn),本法與紫外法無顯著性差異。

表1 甲巰咪唑片的檢測(cè)結(jié)果

表2 回收率實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

本文制備了3DGR/MWCNTs/GCE修飾電極,研究了甲巰咪唑在該電極上的電化學(xué)行為,考察了不同支持電解質(zhì)、pH、掃描電位及掃描速率等對(duì)甲巰咪唑峰電流和峰電位的影響,建立了一種測(cè)定甲巰咪唑的新方法,此方法可用于藥片中甲巰咪唑的測(cè)定。