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。
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)。
1.2.1 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。
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。
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。
2.1.1 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
2.2.1 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。
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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