曲克蘆丁對Belousov-Zhabotinskii振蕩體系的擾動及其含量測定

葉丹妮, 蔡　卓, 蔣翠文, 岳偉超

(廣西大學化學化工學院, 南寧 530004)

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曲克蘆丁對Belousov-Zhabotinskii振蕩體系的擾動及其含量測定

葉丹妮, 蔡卓, 蔣翠文, 岳偉超

(廣西大學化學化工學院, 南寧 530004)

摘要基于曲克蘆丁對Belousov-Zhabotinskii振蕩體系的擾動, 建立了一種測定曲克蘆丁的新方法. 在優(yōu)化條件下, 振幅改變量ΔE與曲克蘆丁的濃度在0.808～40.4 μmol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系, 檢出限為2.14×10-7mol/L(S/N=3). 對曲克蘆丁注射液中的曲克蘆丁進行了分析測定, 回收率在98.8%～101%之間, 測定結(jié)果與紫外法無顯著性差異. 采用循環(huán)伏安法和紫外分光光度法對可能的擾動機理進行了探討.

關(guān)鍵詞Belousov-Zhabotinskii振蕩; 曲克蘆丁; 化學振蕩

曲克蘆丁(Troxerutin)是蘆丁在堿性條件下與環(huán)氧乙烷進行醚化反應(yīng)得到的羥乙基蘆丁, 具有降低人體毛細血管的通透性和脆性、抑制血小板凝結(jié)及防止血栓形成的作用, 是臨床上治療閉塞性腦血管病的常用藥物[1]. 目前已報道的曲克蘆丁分析方法有色譜法[2], 紫外-可見分光光度法[3]、流動注射膠束化學發(fā)光法[4]和電化學伏安法[5], 而應(yīng)用化學振蕩法進行定量分析尚未見報道.

Belousov-Zhabotinskii(B-Z)振蕩反應(yīng)是指在Ce(Ⅳ)和Mn(Ⅱ)等金屬離子催化下, 溴酸鹽在酸性介質(zhì)中氧化具有活性亞甲基的多氧有機化合物的一類化學振蕩反應(yīng)[6]. 化學振蕩法因其靈敏度高、儀器設(shè)備簡單而受到人們的關(guān)注, 采用振蕩反應(yīng)對物質(zhì)進行分析的報道也日益增多[7～12]. 以化學振蕩反應(yīng)進行測定的主要依據(jù)是振蕩體系對于外來物質(zhì)的擾動十分敏感, 當在振蕩體系中加入某種特定的物質(zhì)時, 振蕩圖譜的參數(shù)會發(fā)生一定的變化, 而這種參數(shù)的變化與外來物質(zhì)的濃度有一定的線性關(guān)系, 由此可以對其進行定量測定. 賴紅偉等[13]建立了B-Z振蕩反應(yīng)測定阿莫西林的新方法; 高錦章等[14]利用B-Z振蕩體系周期和振幅的變化率與青霉素濃度負對數(shù)的線性關(guān)系, 實現(xiàn)了對青霉素的測定.

本文基于曲克蘆丁對B-Z振蕩體系的擾動, 建立了測定曲克蘆丁的新方法, 并應(yīng)用于曲克蘆丁注射液的分析. 采用紫外分光光度法和循環(huán)伏安法對曲克蘆丁的擾動機理進行了探討.

1實驗部分

1.1試劑與儀器

溴酸鉀、硫酸鈰和丙二酸(A.R.級, 國藥集團化學試劑有限公司); 硫酸(A.R.級, 上海試一化學試劑有限公司); 曲克蘆丁標準品(上海晶純生化科技股份有限公司); 所用試劑均根據(jù)需要配制成相應(yīng)濃度的水溶液; 實驗用水為去離子水.

科思特350型電化學工作站(武漢科思特儀器有限公司); AL104型電子分析天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司); UV-2012PCS型紫外-可見分光光度計(上海尤尼柯儀器有限公司).

1.2實驗過程

實驗裝置如圖1所示, 振蕩反應(yīng)在100 mL夾套燒杯中進行, 超級恒溫水浴裝置通過外循環(huán)恒溫水維持體系溫度恒定在(36±0.1) ℃, 在恒速攪拌下, 以鉑電極為工作電極, 甘汞電極為參比電極, 用連接計算機的電化學工作站檢測并記錄振蕩體系反應(yīng)過程的電位信號.

實驗體系為CH2(COOH)2-H2SO4-Ce4+-KBrO3. 依次在100 mL夾套燒杯中加入5.0 mL 3.0 mol/L H2SO4溶液, 2.0 mL 0.02 mol/L Ce(SO4)2溶液和5.0 mL 0.2 mol/L CH2(COOH)2溶液, 恒溫恒速攪拌5 min, 點擊工作站數(shù)據(jù)采集鍵, 迅速注入8.0 mL 0.25 mol/L KBrO3溶液, 保持體系總體積為20 mL, 以KBrO3溶液的注入時間為開始時間, 經(jīng)過一段誘導期后, 體系會發(fā)生規(guī)律而穩(wěn)定的振蕩, 如圖2所示. 當振蕩圖譜穩(wěn)定后, 在同一振蕩峰峰谷處迅速注入0.1 mL已知濃度的曲克蘆丁溶液, 同時記錄, 待振蕩圖譜再次穩(wěn)定時, 停止記錄, 即得曲克蘆丁對B-Z振蕩體系的擾動圖譜. 通過擾動圖譜可考察各參數(shù)對振蕩體系的影響.

Fig.1　Schematic diagram of the experimental　 apparatus

Fig.2　Oscillation spectrum of B-Z oscillating system　System conditions: 0.75 mol/L H2SO4+100.0 mmol/L 　KBrO3+2.0 mmol/L Ce4+ +50.0 mmol/L CH2(COOH)2.

2結(jié)果與討論

2.1曲克蘆丁對振蕩體系的擾動

如圖3(A)所示, 曲克蘆丁的加入會對振蕩圖譜產(chǎn)生一定的擾動, 表現(xiàn)為振蕩圖譜峰谷電位迅速下降, 振幅發(fā)生變化, 變化值記為ΔE. 如果加入的物質(zhì)是去離子水, 振蕩圖譜不會產(chǎn)生擾動, 振幅也不會發(fā)生任何變化. 當加入的曲克蘆丁濃度增加時, 峰谷電位下降的幅度增大[見圖3(B)]. 為了保證實驗的重現(xiàn)性及準確性, 每次都在同一峰谷處注入曲克蘆丁溶液, 并保持試劑加入順序不變.

Fig.3　Oscillation spectra of B-Z oscillating system with 28.3 μmol/L(A) and 40.4 μmol/L troxerutin(B)

2.2振蕩體系條件的優(yōu)化

為了使振蕩體系對于曲克蘆丁的擾動響應(yīng)最為靈敏, 考察了體系的催化劑種類、加樣時機、溫度、攪拌速度及各組分濃度等因素對振幅變化值ΔE的影響.

2.2.1催化劑的選擇考察了振蕩體系中不同的催化劑對曲克蘆丁擾動情況的影響. 結(jié)果表明, 含Ce4+的振蕩體系比含Mn2+的振蕩體系對于曲克蘆丁的擾動響應(yīng)更靈敏, 振幅的變化更明顯, 現(xiàn)象更穩(wěn)定, 所以選擇Ce4+作為振蕩體系的催化劑.

2.2.2加樣時機的選擇實驗分別考察了在振蕩圖譜峰谷處、峰尖處、振蕩峰上升和下降途中等時機加樣對體系的擾動情況. 結(jié)果表明, 在峰谷處加樣現(xiàn)象最明顯, 所以選擇在振蕩峰谷位置注入樣品溶液.

2.2.3體系溫度的影響 體系溫度對于振蕩圖譜的影響如圖4(A)所示, 在27～39 ℃范圍內(nèi), ΔE隨溫度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢, 當溫度為36 ℃時, ΔE達到最大, 因此選擇36 ℃作為振蕩體系的溫度.

Fig.4　Effects of temperature(A), stirring rate(B) and concentrations of KBrO3(C), Ce4+(D), 　malonic acid(E) and H2SO4(F) on ΔE

2.2.4攪拌速度的影響攪拌速度直接影響體系組分的混合情況. 如圖4(B)所示, 在200～1000 r/min范圍內(nèi), 隨著攪拌速度的增加, ΔE呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢. 攪拌速度較慢時, 體系組分不能及時混勻; 若攪拌速度過快, 會產(chǎn)生氣泡或者引入空氣造成影響, 因此選擇600 r/min作為振蕩體系的攪拌速度.

2.2.5KBrO3濃度的影響由圖4(C)可知, KBrO3濃度在60.0～100.0 mmol/L范圍時, ΔE保持基本不變, 當KBrO3濃度大于100 mmol/L時, ΔE呈現(xiàn)減小的趨勢, 可能是曲克蘆丁與KBrO3發(fā)生了反應(yīng), 從而削弱了曲克蘆丁對振蕩體系的影響. 因此選擇100.0 mmol/L作為振蕩體系KBrO3的濃度.

2.2.6Ce4+濃度的影響Ce4+是體系中的催化劑. 如圖4(D)所示, 當Ce4+濃度在0.5～3.0 mmol/L范圍內(nèi)時, ΔE隨著Ce4+濃度的增加先升高后降低, 當Ce4+濃度為2.0 mmol/L時ΔE達到最大. 因此選擇2.0 mmol/L作為振蕩體系中Ce4+的濃度.

2.2.7CH2(COOH)2濃度的影響CH2(COOH)2是體系的有機底物. 如圖4(E)所示, 當其濃度在25.0～125.0 mmol/L范圍內(nèi)時, ΔE隨著CH2(COOH)2濃度的增加而減小, 可能是由于CH2(COOH)2濃度較高時, 體系更穩(wěn)定, 對于外來物的抗干擾能力更強, 從而使得體系對于曲克蘆丁的擾動響應(yīng)值變小. 綜合考慮體系的穩(wěn)定程度及ΔE的變化, 選擇50.0 mmol/L作為振蕩體系中CH2(COOH)2的濃度.

2.2.8H2SO4濃度的影響H2SO4溶液為體系提供酸性環(huán)境. 由圖4(F)可知, 在0.25～1.25 mol/L范圍內(nèi), 隨著H2SO4濃度逐漸增加, ΔE呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢, 而當H2SO4濃度為0.75 mol/L時, ΔE最大, 所以選擇0.75 mol/L作為振蕩體系H2SO4的濃度.

綜上所述, 振蕩體系的最佳條件如下: H2SO4濃度為0.75 mol/L, Ce4+濃度為2.0 mmol/L, CH2(COOH)2濃度為50.0 mmol/L, KBrO3濃度為100.0 mmol/L, 測定溫度為36 ℃, 轉(zhuǎn)速為600 r/min.

2.3線性范圍、檢出限及精密度

配制了一系列不同濃度的曲克蘆丁溶液, 在最佳實驗條件下進行測定, 考察不同濃度的曲克蘆丁溶液對于B-Z振蕩體系的擾動情況. 實驗結(jié)果表明, 在0.808～40.4 μmol/L范圍內(nèi), 曲克蘆丁的濃度與ΔE呈良好線性關(guān)系, 回歸方程為ΔE=1.7365c-1.3192(r=0.9989,N=9), 檢出限為2.14×10-7mol/L(n=11). 對1.62×10-5mol/L的曲克蘆丁溶液平行測定11次, 其相對偏差為2.6%, 可見重現(xiàn)性良好.

2.4干擾實驗

在最佳實驗條件下, 研究了一些常見的金屬離子和藥物輔料對8.08 μmol/L曲克蘆丁測定的干擾情況. 當相對誤差在±5%范圍內(nèi)時, 體系對共存干擾物的允許量如表1所示, 可見本方法具有較強的抗干擾能力.

Table 1　Maximum ratio of some interfering species

2.5實際樣品測定

采用本文方法對同一廠家不同批次的曲克蘆丁注射液進行了分析. 將10支市售同一批號的曲克蘆丁注射液混合均勻后稀釋至適當濃度, 在優(yōu)化條件下測定曲克蘆丁的含量, 同時進行加標回收實驗. 樣品輔料為注射用水, 無需預處理. 測定結(jié)果分別列于表2和表3, 并與紫外分光光度法測定的結(jié)果進行比較. 經(jīng)過t檢驗可知, 本方法與紫外分光光度法在95%的置信水平上無顯著差異.

Table 2　Results of determination of troxerutin in injection(n=5)*

* Troxerutin injection(Shanghai Modern Hasen Pharmaceutical Co. Ltd.)

Table 3　Results of recovery(n=5)

2.6機理探討

當曲克蘆丁加入到B-Z振蕩體系后, 與體系中某種組分發(fā)生相互作用而產(chǎn)生擾動. 為了探討曲克蘆丁在振蕩體系中的反應(yīng)情況, 采用紫外分光光度法分別對曲克蘆丁溶液、曲克蘆丁與振蕩體系中其它組分兩兩混合后的溶液進行了測定, 結(jié)果如圖5所示.

圖5曲線a為曲克蘆丁的紫外吸收曲線, 可見曲克蘆丁在254 nm處有紫外吸收峰; 曲線b和c分別為曲克蘆丁與硫酸及曲克蘆丁與丙二酸混合溶液的紫外吸收曲線, 可見254 nm處的紫外吸收峰基本不變, 說明曲克蘆丁不與體系中的硫酸、丙二酸發(fā)生反應(yīng); 曲線d和e分別是曲克蘆丁與Ce4+及曲克蘆丁與KBrO3混合后溶液的紫外吸收曲線, 曲線d的紫外吸強度比曲線a明顯降低, 說明曲克蘆丁與Ce4+發(fā)生了作用并消耗了部分曲克蘆丁; 而曲線e表明, 當曲克蘆丁與KBrO3混合后, 雖然在254 nm處仍有紫外吸收峰, 但峰形已有一些變化, 說明KBrO3對曲克蘆丁有一定的作用, 只是這種作用不是很明顯.

Fig.5　UV absorption spectra of different systems a. 2.59×10-5 mol/L troxerutin; b. 2.59×10-5 mol/L troxerutin+0.1 mol/L H2SO4; c. 2.59×10-5 mol/L troxerutin+4.0 mmol/L CH2(COOH)2; d. 2.59×10-5 mol/L troxerutin+2.0 mmol/L Ce4+; e. 2.59×10-5 mol/L troxerutin+5.0 mmol/L KBrO3.

Fig.6　Cyclic voltammograms of different 　systems a. 0.5 mol/L H2SO4; b. 0.5 mol/L H2SO4+2.4 mmol/L troxerutin; c. 0.5 mol/L H2SO4+2.4 mmol/L troxerutin+1.0 mmol/L Ce4+.

曲克蘆丁與Ce4+發(fā)生反應(yīng)的現(xiàn)象也體現(xiàn)在溶液的外觀上. 當曲克蘆丁加入到Ce4+溶液中后, 溶液顏色由亮黃色變?yōu)槌赛S色. 采用循環(huán)伏安法(CV) 進一步研究了曲克蘆丁與Ce4+的相互作用. 以0.5 mol/L硫酸溶液作為支持電解質(zhì), 裸玻碳電極為工作電極, 甘汞電極為參比電極, 鉑絲電極為輔助電極, 以20 mV/s的掃描速度, 在+0.6～+1.0 V電位范圍內(nèi)分別對Ce4+、曲克蘆丁及其混合溶液進行伏安掃描, 結(jié)果如圖6所示. 圖6曲線a為支持電解質(zhì)硫酸溶液的CV曲線, 曲線b為曲克蘆丁的CV曲線, 曲線c為曲克蘆丁與Ce4+混合溶液的CV曲線. 可見, 曲線b存在明顯的氧化峰, 說明曲克蘆丁在掃描的電位范圍內(nèi)能被氧化; 曲線a上無何氧化還原峰, 說明支持電解質(zhì)溶液在此范圍內(nèi)未發(fā)生任何電化學反應(yīng); 曲線c上也沒有任何氧化還原峰, 說明當曲克蘆丁與Ce4+混合后, 曲克蘆丁被Ce4+氧化, 從而使原有的氧化峰消失.

曲克蘆丁含有酚羥基, 具有還原性, 易與氧化劑發(fā)生反應(yīng). 在本振蕩體系中只有Ce4+和KBrO3為氧化劑, 由于曲克蘆丁更易被Ce4+所氧化, 因此推斷曲克蘆丁對于振蕩體系的擾動主要是消耗了Ce4+. 而還原產(chǎn)物Ce3+又被體系中過量的KBrO3氧化成Ce4+, 繼續(xù)參與振蕩循環(huán), 所以曲克蘆丁對于振幅的影響持續(xù)時間有限, 最終體系會逐漸趨于穩(wěn)定.

根據(jù)FKN 機理[15], B-Z 振蕩反應(yīng)是包括20多個基元反應(yīng)的復雜過程, 結(jié)合這些基元反應(yīng), 可將曲克蘆丁參與的振蕩反應(yīng)概括為如下5個過程:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

3結(jié)論

曲克蘆丁對Belousov-Zhabotinskii振蕩體系可以產(chǎn)生擾動, 且曲克蘆丁的濃度與振幅的改變值呈良好的線性關(guān)系, 據(jù)此建立了B-Z振蕩反應(yīng)測定曲克蘆丁的新方法. 考察了催化劑種類、加樣時機、溫度、攪拌速度及各組分濃度等對擾動程度的影響; 在優(yōu)化條件下對注射液樣品中的曲克蘆丁進行了測定. 實驗結(jié)果表明, 利用B-Z 振蕩反應(yīng)進行曲克蘆丁的測定具有操作簡單、準確性高等特點, 可用于實際樣品的測定.

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Disturbance of Troxerutin to Belousov-Zhabotinskii Oscillating

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YE Danni, CAI Zhuo*, JIANG Cuiwen, YUE Weichao

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

AbstractA new method for the determination of troxerutin was developed based on the disturbance of troxerutin to Belousov-Zhabotinskii oscillation system. Under optimal conditions, the variation of ΔEhad a linear relationship with troxerutin concentration in the range of 0.808—40.4 μmol/L, with detection limit of 2.14×10-7mol/L(S/N=3). The established method was used to determination of troxerutin in injection, and the recovery was 98.8%—101%. The results showed that the data obtained by this method and the ones by UV method had no significant difference. The possible mechanism was studied using cyclic voltammetry and UV spectrophotometry.

Keywords Belousov-Zhabotinskii oscillation; Troxerutin; Chemical oscillation

(Ed.: N, K)

? Supported by the Natural Science Foundation of Guangxi, China(No.2015GXNSFAA139239).

doi:10.7503/cjcu20150434

基金項目:廣西自然科學基金(批準號: 2015GXNSFAA139239)資助.

收稿日期:2015-06-19. 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-12-20.

中圖分類號O652; O615.4

文獻標志碼A

聯(lián)系人簡介: 蔡卓, 男, 博士, 教授, 主要從事分析化學的教學與研究工作. E-mail: zhuocai@gxu.edu.cn