对乙酰氨基苯酚的电极过程分析和传感性能研究

吴子航,陈柳,曹凤娟,王琨琦*

(长春工程学院 理学院,吉林 长春 130012)

摘要:对乙酰氨基苯酚(PCT)是解热镇痛药物常见成分,用于治疗感冒发热及缓解各种疼痛,过量摄入会引发中毒性肝炎,因此研发快速、精准、成本低廉的检测方法迫在眉睫。鉴于PCT结构特征,构建PCT电化学传感器可以较好的解决上述问题。循环伏安法(CV)是研究耦联均相电化学反应的重要技术之一,对揭示药物活性成分的电化学行为及构建高灵敏度电化学传感器具有重要参考价值。以PCT为探针,使用裸玻碳电极为工作电极,通过CV技术系统地考察了PCT在pH 2.4、pH 6.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系和1.80 mol/L硫酸体系中的电化学响应机制,明确了PCT电化学氧化机理,发现了非电化学活性物质的存在,观察到了硫酸介质中耦联均相的电化学反应。利用裸玻碳电极构建了PCT电化学传感器,确定了传感器的线性范围、检出限、灵敏度和选择性等性能参数,对实际药品扑热息痛片进行检测,测得其PCT的含量充足。该检测方法具有简便、快捷和准确的优点。同时,旨在为芳香类有机小分子电极过程动力学提供了关键的实验参考,为芳香类有机小分子药品的快速检测提供方法补充。

关键词:对乙酰氨基苯酚;循环伏安法;裸玻碳电极;耦联均相电化学反应;扑热息痛片;电化学传感器

对乙酰氨基苯酚(N-乙酰对氨基酚、4-乙酰氨基酚)是一种无色结晶粉末状芳香类有机化合物,化学式为C8H9NO2,也是利用CV技术研究耦联均相电化学反应的重要参考物质。医学上又叫扑热息痛,是一种经济实惠的家庭常备感冒药,过多摄入会引发中毒性肝炎[1],对该物质的准确检测是极其必要的。传统检测方法有紫外-可见光谱法[2]、高效液相色谱法[3]、电泳法[4]、化学荧光法[5]等,上述方法检测设备昂贵,实验场地要求高,实验流程不稳定,检测时间长[6],而电化学检测方法具有高效,成本低下,设备仪器携带方便,检测准确的优势[7],因此此方法具有良好的实用性,在食品生产、环境健康、临床医学应用、工业生产制造上都有应用[8,9],受到广泛传播与使用。本工作利用CV技术研究了PCT的耦联均相电化学反应过程,搭建了PCT电化学传感器并对实际样品扑热息痛片进行检测。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

CHI602A型电化学工作站(上海辰华仪器公司);KQ5200E型超声波清洗器、1 000 μL数字型电动移液器(大龙仪器有限公司);电子天平(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司);玻碳工作电极、银-氯化银参比电极、铂片对电极、50 mL三孔电解槽(天津艾达恒晟科技发展有限公司)。

磷酸氢二钠、柠檬酸(上海阿拉丁生化科技股份有限公司);硫酸(西陇科学股份有限公司);对乙酰氨基苯酚(上海麦克林生化科技股份有限公司);扑热息痛片(河南龙源药业股份有限公司);铁氰化钾、氯化钾(天津永晟精细化工有限公司)。除扑热息痛片外均为分析纯,实验用水均为超纯水(UPR-11-15TNZP型优普系列超纯水)。

1.2 实验试剂的配制

1.2.1 0.2 mol/L磷酸氢二钠溶液的配制

准确称取35.800 0 g磷酸氢二钠,放到100 mL烧杯中,水溶后转移至500 mL容量瓶中定容。

1.2.2 0.1 mol/L柠檬酸溶液的配制

准确称取21.014 0 g柠檬酸,置于100 mL烧杯中,水溶后转移至1 000 mL容量瓶中定容。

1.2.3 pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液的配制

准确移取31.00 mL(0.2 mol/L)磷酸氢二钠溶液至500 mL容量瓶中,用0.1 mol/L的柠檬酸溶液定容至刻度。

1.2.4 pH 6.4磷酸氯二钠-柠檬酸缓冲溶液的配制

准确移取346.00 mL(0.2 mol/L)磷酸氢二钠溶液至500 mL容量瓶中,用0.1 mol/L的柠檬酸溶液定容至刻度。

1.2.5 1.8 mol/L硫酸溶液的配制

在100 mL烧杯中加入50 mL水后,边搅拌边滴加9.78 mL浓硫酸,冷却后移至100 mL容量瓶中水定容。

1.2.6 1 mmol/L铁氰化钾溶液的配制

在100 mL烧杯中加入0.033 0 g铁氰化钾与7.450 0 g氯化钾稀释至溶解,移至100 mL容量瓶中水定容。

1.2.7 含3.00 mmol/L PCT的pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液的配制

准确称取0.023 0 g PCT于50 mL的烧杯中,加入pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液至溶解,转入50 mL容量瓶中并定容。

1.2.8 含3.00 mmol/L PCT的pH 6.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液的配制

采用1.2.7的方法用pH 6.4磷酸氯二钠-柠檬酸缓冲溶液取代pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液配制完成含3.00 mmol/L PCT的pH 6.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液。

1.2.9 含3.00 mmol/L PCT的1.80 mol/L硫酸溶液的配制

同样采用1.2.7的方法用1.80 mol/L硫酸溶液取代pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液配制完成含3.00 mmol/L PCT的1.80 mol/L硫酸溶液。

1.2.10 PCT标准溶液的配制

准确称取0.007 6、0.015 1、0.022 7、0.030 2、0.037 8、0.045 3、0.052 9和0.060 4 g PCT,置于8个50 mL烧杯中,使用pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液溶解后移至50 mL容量瓶中定容,即得1.00、2.00、3.00、4.00、5.00、6.00、7.00和8.00 mmol/L的PCT标准溶液各50 mL。

1.3 扑热息痛片的处理

将一片扑热息痛片,投入到盛有pH 2.4磷酸氯二钠-柠檬酸缓冲溶液的50 mL烧杯中待溶解后转移至50 mL容量瓶中定容。

1.4 裸玻碳电极的清洗

分别用0.5和0.05 μm的氧化铝粉于麂皮上划八字打磨玻碳电极,电极光滑后超声清洗,自然晾干备用。

2 结果与讨论

2.1 电化学过程动力学研究

2.1.1 pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系中PCT的电化学

将清洗干净的裸玻碳电极插入含有3.00 mmol/L PCT的pH 2.4的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系中,在电位窗为0.4~0.9 V范围内,当扫速由0.02增至 0.2 V/s时,测试PCT的CV响应,数据列于表1,同时绘制变化扫速的CV图(图1)。结果表明:当扫速为0.02 V/s时,电位 0.728 V处,出现明显氧化峰,峰电流为3.573×10-5 A,PCT在电极表面上发生了明显的电化学氧化反应[10]。由表1和图1可知:随着扫速的增大,PCT氧化峰电位和氧化峰电流均增大,PCT的峰型逐渐变宽,说明PCT在pH 2.4的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系中的电化学反应是一个表面控制过程[11]。其次,讨论氧化峰电流与扫速关系可知:氧化峰电流(Ipa)与扫速的一次方成正比,其线性方程为 Ipa=19.123 3V+3.034 73(相关系数R2=0.995 04),表明PCT在pH 2.4的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系中的电化学反应是单分子层反应[11]。再以,lnV为横坐标,PCT的氧化峰电位(Epa)为纵坐标绘制氧化峰电位与扫速关系图。由图2可知:Epa与lnV成正比,根据Laviron方程Epa=E0+RTlnV/[(1-α)nF][12],E0是由线性拟合得到的截距,R为摩尔气体常数(8.314 J/(mol·K)),T为常温(298.15 K),α为电子转移系数为0.5,n为电子转移数,F为法拉第常数(96 485 C/mol),V为扫描速率(mV/s)。得出电子转移数n为 1.92≈2。综上所述,PCT在裸电极表面于pH 2.4的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系中发生了单分子、表面控制、两电子转移的电化学氧化反应。

图1 pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系中PCT与不同扫速的循环伏安图
Fig.1 CV of PCT different sweep speeds in pH 2.4 disodium hydrogen phosphate-citric acid buffer system

图2 lnV与氧化峰电位的线性关系图
Fig.2 Linear relationship between lnV and oxidation peak potential

表1 裸玻碳电极在pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系中对PCT的CV测试数据
Tab.1 CV data of bare glassy carbon electrode for PCT in pH 2.4 disodium hydrogen phosphate-citric acid buffer system

SystemV/(V·s-1)Epa/VV0.5/(V·s-1)lnV/(V·s-1)Ipa/AElectron transfer number3mmol/LPCTpH 2.40.020.040.7280.7400.141 40.200 0-3.912-3.2183.573×10-53.664×10-51.929 390.060.080.7500.7550.244 90.282 8-2.813-2.5254.102×10-54.590×10-51.909 360.100.120.7600.7690.316 20.346 4-2.302-2.1204.980×10-55.323×10-51.921 170.140.160.7700.7810.374 10.400 0-1.966-1.8325.717×10-56.055×10-51.927 120.180.200.7800.7850.424 20.447 2-1.714-1.6096.494×10-56.885×10-5Average number of electrons:1.921 76≈2

2.1.2 pH 6.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液体系中PCT的电化学

以含有3.00 mmol/L PCT的pH 6.4的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液作为支持电解质,裸玻碳电极为工作电极,在电位窗为0.2~0.9 V的范围内,扫速0.25 V/s的条件下做CV测试(图3),由图3可知:在电位窗范围内,没有发现任何明显的氧化还原峰,说明体系中没有电化学活性物质存在[13]

图3 pH 6.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系中PCT的循环伏安图
Fig.3 CV of PCT in pH 6.4 disodium hydrogen phosphate-citric acid buffer system

2.1.3 1.80 mol/L硫酸体系中PCT的电化学

在含有3.00 mmol/L PCT的1.80 mol/L的硫酸体系中,使用裸玻碳电极作工作电极在电位窗0.4~0.9 V的范围内,扫速0.02 V/s的条件下,进行CV测试(图4)。由图4可知:在电位为0.739 V处,出现明显氧化峰Epa,在电位为0.535 V处,出现明显还原峰Epc,氧化峰电位与还原峰电位之差ΔEp=Epa-Epc=0.204 V>0.029 V;氧化峰电流Ipa=3.798×10-5 A,还原峰电流Ipc=-1.765×10-5 A,Ipa/Ipc=2.152≥1,结果表明:PCT的1.80 mol/L的硫酸体系中,PCT在裸电极表面上发生了不可逆的电化学反应。其次,裸玻碳电极在含有3.00 mmol/L PCT的1.80 mol/L的硫酸体系中,电位窗0.4~0.9 V范围内,扫速分别为0.04、0.08、0.12、0.16、0.20、0.24、0.28、0.32、0.36和0.40 V/s时做CV图。由图5可知:氧化峰电位Epa由0.729增大到0.757 V,氧化峰电位增大明显,还原电位Epc从0.518降至0.512 V,降幅较小;氧化峰电流Ipa由4.910×10-5增大至16.01×10-5 A,近乎增大了一个数量级,还原峰电流Ipc从2.194×10-5增大到6.351×10-5 A,增幅较小。也就是说随着扫速的增大,氧化峰电位正移明显和还原峰电位负移幅度小;氧化峰电流随扫速增大显著和还原峰电流随扫速增大缓慢,表明PCT在1.80 mol/L的硫酸体系中发生电化学氧化过程强于电化学还原过程。最后,以扫速平方根为横坐标,氧化峰电流Ipa、还原峰电流Ipc为纵坐标绘制峰电流与扫速平方根关系,由图6可知:氧化峰电流Ipa和还原峰电流Ipc均与扫速平方根成正比,其线性方程分别为Ipa=25.388 18V0.5-0.188 07(相关系数R2=0.990 38);Ipc=-9.182 52V0.5-0.728 32(相关系数R2=0.967 78),表明:PCT在1.80 mol/L的硫酸体系中发生的电化学反应受扩散控制[11]。又根据Laviron方程 Epa=E0+RTlnV/[(1-α)nF],算得n=4.305 7,即PCT在1.80 mol/L的硫酸体系中发生不可逆电化学反应时转移的电子数约为4个。

图4 1.80 mol/L硫酸体系中PCT的循环伏安图
Fig.4 CV of PCT in 1.80 mol/L sulfuric acid system

图5 1.80 mol/L的硫酸体系中不同扫速的PCT循环伏安图
Fig.5 CV of PCT at different scan rates in 1.80 mol/L sulfuric acid system

图6 峰电流与扫速平方根关系图
Fig.6 Relationship between peak current and square root of scan speed

2.1.4 PCT在3种不同支持电解质溶液中电化学的比较

将裸玻碳电极依次插入20 mL(3.00 mmol/L) PCT的pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸溶液、pH 6.4磷酸氢二钠-柠檬酸溶液和1.80 mol/L硫酸溶液的电解槽中,在电位窗0.4~0.9 V范围内,0.02 V/s扫速下做CV测试。由图7可知:PCT在pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸体系中发生了电化学氧化反应,如图7中曲线a;在pH 6.4磷酸氢二钠-柠檬酸体系中,没有发生任何明显的电化学反应,如图7中曲线b;在1.80 mol/L硫酸体系中,展现出了不可逆的电化学反应,如图7中曲线c,说明1.80 mol/L硫酸体系中PCT发生耦联均相的电化学反应[14],CV技术可以观察到它的存在。耦联均相电化学反应步骤如图8所示。

a.pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸体系;b.pH 6.4磷酸氢二钠-柠檬酸体系;c.1.80 mol/L硫酸体系

图7 PCT在不同体系中的循环伏安图
Fig.7 CV of PCT in different systems

图8 PCT耦联均相电化学反应步骤图
Fig.8 Diagram of coupled homogeneous electrochemical reaction of PCT

2.2 PCT电化学传感器的构建

2.2.1 裸玻碳电极对不同浓度PCT的电化学响应

使用裸玻碳电极对上述1.2.10中的PCT标准溶液系列进行CV测试,记录各个浓度下PCT氧化峰电流Ipa可知:氧化峰电流Ipa与PCT浓度c线性相关,其线性方程为:Ipa=1.190 1c+2.663 8(R2=0.994 4),线性范围为1~8 mmol/L,检出限为0.008 mmol/L,该电极的灵敏度为0.420 9 μA/(mmol/L·cm2)可以作为检测实际药品对乙酰氨基酚片的标准曲线。

2.2.2 PCT电化学传感器的重现性、稳定性和选择性

为了评价PCT电化学传感器的重复性[15],使用该PCT电化学传感器在含有3.00 mmol/L PCT的pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸体系中测试其电流分别为3.717×10-5、3.718×10-5、3.710×10-5和3.698×10-5 A,经计算其相对标准偏差(RSD)为0.25%,表明此PCT电化学传感器具有良好的重现性。每隔1 d将该PCT电化学传感器插入含有3.00 mmol/L PCT的pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸溶液中进行测试,响应电流分别为6.212×10-5、6.208×10-5、6.201×10-5、6.227×10-5、6.212×10-5、6.204×10-5和6.293×10-5 A计算出其相对标准偏差(RSD)为0.84%,表明其有良好的稳定性。在含有3.00 mmol/L PCT的pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸溶液中加入10倍浓度干扰物,分别为抗坏血酸(AA)、盐酸莫西沙星片、青霉素V钾片、葡萄糖,进行干扰分析。表明上述物质对该PCT电化学传感器均有干扰,干扰能力按抗坏血酸(AA)、盐酸莫西沙星片、青霉素V钾片、葡萄糖排序递减,表明该PCT电化学传感器的选择能力有待提升。

2.2.3 实际药品扑热息痛片的检测

按照1.3的方法处理扑热息痛片,利用绘制的标准曲线确定药品中对乙酰氨基苯酚的含量为0.517 0 g,与样品说明书含量一致。对样品进行4次加标回收实验,其加标回收率在81.2%~107.3%之间,说明该测试方法具有很好的准确性。

3 结论

PCT在1.80 mol/L的硫酸体系中进行4电子转移、不可逆的耦联均相电化学化学反应,在pH 2.4磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系中发生单分子、表面控制、2电子转移的电化学氧化反应;在pH 6.4上述缓冲体系中没有电化学活性物质存在。构建的PCT电化学传感器的线性范围为1~8 mmol/L,检出限为0.008 mmol/L,灵敏度为0.420 9 μA/(mmol/L·cm2),有较高的稳定性和重复性,但抗干扰能力有待提升。采用该传感器检测实际药品扑热息痛片,每片药中对乙酰氨基苯酚的含量为90.46%。

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Electrode Process Analysis and Sensing Performance Research of Acetaminophen

WU Zi-hang,CHEN Liu,CAO Feng-juan,WANG Kun-qi* (School of Science,Changchun Institute of Technology,Changchun 130012,China)

AbstractAcetaminophen (PCT) is a common ingredient in antipyretic and analgesic drugs for the treatment of cold and fever and the relief of various pains.However,excessive intake can cause toxic hepatitis,making it urgent to development a rapid,accurate,and cost-efficient detection method.Given the structural characteristics of PCT,constructing a PCT electrochemical sensor is an effective solution.Cyclic voltammetry (CV) is one of the important techniques to research coupled homogeneous electrochemical reactions,which is valuable for revealing the electrochemical behavior of pharmaceutical compounds and developing highly sensitive electrochemical sensor.In this study,the electrochemical response mechanism of PCT was systematically investigated using CV with a bare glassy carbon electrode in both pH 2.4 and pH 6.4 disodium hydrogen phosphate-citric acid buffer system and 1.80 mol/L sulfuric acid system.The oxidization mechanism of PCT was elucidated,non-electrochemically active substances were identified,and the evidence of coupled homogeneous electrochemical reactions of PCT in sulfuric acid medium was observed.The results showed that the electrochemical behavior of PCT is strongly influenced by the acidity of the medium.Based on these findings,a PCT electrochemical sensor was developed using a bare glassy carbon electrode.The performance parameters of the electrochemical sensor,such as the linear range,the detection limit,the sensitivity and the selectivity,were determined.It was successfully applied to detect PCT in commercial paracetamol tablets,confirming adequate content levels.This method has the advantages of simplicity,speed and accuracy.Additionally,this study provides a key experimental insights into the electrode process dynamics of aromatic organic small molecules and complements existing method for the rapid detection in pharmaceutical applications.

Key wordsAcetaminophen;cyclic voltammetry (CV);bare glassy carbon electrode;coupled homogeneous electrochemical reaction;paracetamol tablets;Electrochemical sensor

中图分类号:O657.1

文献标识码:A

文章编号:0258-3283(2025)07-0057-06

DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2025.0099

收稿日期:2025-04-29;修回日期:2025-05-30

基金项目:吉林省教育厅科学研究项目(JJKH20240781KJ);吉林省教育科学“十三五”规划重点课题项目(ZD19047);长春工程学院种子基金项目(320190007)。

作者简介:吴子航(2002-),男,浙江金华人,本科生,主要研究方向为电分析化学、电化学传感器。

通讯作者:王琨琦,E-mail:wangkunqi.ccit.edu.cn。