對乙酰氨基酚在碳納米管-銅鈷合金修飾電極上的準可逆響應及其分析應用

石恩永， 崔文林， 佘 雨， 劉傳銀*

(湖北文理學院化學工程學院，湖北襄陽 441053)

對乙酰氨基酚(Acetaminophen，AP)俗稱撲熱息痛，為乙酰苯胺類藥物，具有解熱、鎮痛的功效，在臨床上用于緩解輕度至中度疼痛，如感冒引起的發熱、頭痛、關節痛、神經痛以及偏頭痛、痛經等，但長期服用該藥可能會引起肝腎損傷[1]。對乙酰氨基酚的常見檢測方法有滴定法[2]、分光光度法[3]、熒光法[4]、高效液相色譜法[5]、毛細管電泳法[6]及電化學方法[7 - 8]。電化學方法具有簡單、快速的優點，而利用修飾電極進行對乙酰氨基酚的檢測已有報道，如在單壁碳納米管/聚甘氨酸復合膜[9]、金-鈀納米粒子/石墨烯修飾電極[10]、石墨烯-離子液體修飾電極[11]上對對乙酰氨基酚的電化學測定。但尚未見到采用Cu-Co合金納米粒子-碳納米管對對乙酰氨基酚檢測的報道。

本文采用在碳納米管(CNTs)上電沉積Cu-Co合金納米粒子，由于這兩者具有導電性好、比表面積大、可催化某些分子的電化學過程，所以實現了對對乙酰氨基酚良好的電化學催化作用，從而實現了對乙酰氨基酚的電化學測定。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

所有電化學實驗均在CHI-660E電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)上完成，采用三電極體系；裸玻碳電極(GCE)及修飾電極為工作電極，飽和Ag/AgCl電極為參比電極，Pt絲為對電極。KQ-3200超聲波清洗機(昆山市超聲儀器有限公司)；pHS-3C酸度計(上海雷磁儀器廠)。

對乙酰氨基酚(AP)對照品(中國藥品檢定所)；冰HAc、NaH2PO4和Na2HPO4、K3[Fe(CN)6]及其他試劑均為分析純，購自國藥集團上海化學試劑有限公司。碳納米管(CNTs)購自華中師范大學納米研究院，使用前經酸化回流處理，并用0.5%殼聚糖溶液超聲至完全溶解(1 mg/mL)。實驗用水均為超純水(18.25 MΩ·cm)。

1.2 修飾電極的制備

裸GCE依次經0.1、0.05 μm的Al2O3懸糊拋光至鏡面，依次用乙醇和超純水清洗后干燥，在電極表面滴涂10 μL 1 mg/mL CNTs懸濁液，紅外線烤干即為CNTs/GCE。將CNTs/GCE插入含有1 mmol/L Cu2++1 mmol/L Co2+的混合液中，于-1.5 V～0.4 V范圍內循環伏安掃描一定圈數，即得Cu-Co合金沉積的碳納米管修飾電極Cu-Co-CNTs/GCE。

1.3 電化學表征和測定

實驗采用三電極體系進行循環伏安、交流阻抗及微分脈沖伏安測定。其中交流阻抗的參數為：電位0.24 V，頻率范圍0.01～105Hz；微分脈沖伏安參數為：脈沖50 ms，電位范圍0～0.7 V。

2 結果與討論

2.1 電極的表征

以GCE及修飾GCE為工作電極，將三電極體系插入含有1 mmol/L [Fe(CN)6]3-的KCl溶液中進行循環伏安和交流阻抗研究。從循環伏安圖可以看出，裸電極的峰電位差為70 mV，氧化還原峰電流對稱；CNTs/GCE上的峰電位差為86 mV，而在Cu-Co-CNTs/GCE上，峰電位差為90 mV，峰電流較CNTs/GCE進一步增大，表明電沉積上的Cu-Co合金應該為粒度較小的納米粒子，進一步增大了電極的表面積，而且合金粒子的導電性較強，所以促進了K2[Fe(CN)6]在電極上的氧化還原作用。而從交流阻抗圖可以看出，裸電極在低頻區呈現一個小的半圓，高頻區呈現一條45°的直線，表明電極表面沒有物質阻礙電荷傳遞；然而在CNTs/GCE和Cu-Co-CNTs/GCE上，低頻區的半圓減小，然而高頻區的直線的斜率更大，表明電極的導電性較強，從而驗證了電沉積的Cu-Co合金納米粒子。

圖1 對乙酰氨基酚在GCE(a)、CNTs/GCE(b)、Cu-Co-CNTs/GCE(c)上的循環伏安(CV)圖Fig.1 CVs of acetaminophen at GCE(a),CNTs/GCE(b) and Cu-Co-CNTs/GCE(c)

2.2 對乙酰氨基酚在不同電極上的響應

探究了對乙酰氨基酚在不同電極上的電化學響應。如圖1所示，在裸電極上，對乙酰氨基酚的氧化峰電位為0.54 V，峰電流很小，還原峰很寬，呈現出不可逆的氧化還原特征。然而在CNTs/GCE上，其氧化峰電位降低到0.52 V，還原峰電位增大到0.43 V，氧化還原峰電流較不對稱。在Cu-Co-CNTs/GCE上，氧化峰電位降低到0.495 V，還原峰電位增大到0.450 V，峰電位差降低到45 mV，而且氧化峰電流相比于CNTs/GCE增大了4倍，很明顯這個氧化還原的增強是源于Cu-Co合金納米粒子的修飾對對乙酰氨基酚的催化作用。

圖2 不同緩沖溶液(A)及pH值(B)對對乙酰氨基酚電化學響應的影響Fig.2 Influence of different buffer (A) and pH value(B) on the electrochemical response of acetaminophen

2.3 底液及底液pH值的影響

探究了不同的底液條件對對乙酰氨基酚的電化學響應的影響。圖2A是不同緩沖體系中對乙酰氨基酚的響應情況，從中可以看出，在HAc緩沖溶液中，對乙酰氨基酚的響應較好，但是響應電位較高，氧化峰電位達到了0.63 V；在磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中，對乙酰氨基酚的對稱性最好，但峰電流較HAc緩沖溶液低一些；在硼砂緩沖體系中，對應的峰電位差比PBS體系中增大，而峰電流更小。鑒于對乙酰氨基酚是一種藥物，為了便于探究其在體液和代謝物中的含量測定，本文選擇PBS為底液進行后續研究。

在0.1 mol/L PBS中，探究pH對對乙酰氨基酚的電化學氧化還原的影響，結果如圖2B所示。隨著pH值的增大，氧化還原峰電位不斷負移，電流也有明顯的變化。當pH=7.0時，其峰電流最大，所以選擇pH=7.0作為后續研究。實驗還發現，隨著pH的變化，峰電位與pH呈現良好的線性關系，其回歸方程為：Epa=0.7737-0.0395pH(r=0.9965),Epc=0.7491-0.0437pH(r=0.9894)。由峰電位對pH關系可以看出，兩者的斜率都與0.059 mV/pH較為接近，表明在電化學反應過程中有質子參與反應，且其參與反應的質子數和電子數相等[12]。即對乙酰氨基酚在電極上發生等質子等電子的氧化還原過程。

2.4 不同電沉積圈數對電化學響應的影響

圖3是電沉積不同圈數的對乙酰氨基酚的CV曲線。由圖可見，當圈數小于15圈時，對乙酰氨基酚的氧化還原峰電流較小，并隨著圈數增多而增大，表明Cu-Co合金納米粒子的數量不斷增多，進而促進了對乙酰氨基酚的電氧化；當圈數大于15圈后，電流反而下降了，表明電沉積圈數增多后，繼續沉積的合金粒子將繼續在原位上沉積，進而增大了粒子的粒度，從而降低了其催化作用。根據電化學響應，在后續的電沉積實驗中均采用在-1.5～0.4 V之間電沉積15圈。

2.5 不同掃速的影響

在pH=7.0的PBS中，研究了掃描速度對對乙酰氨基酚的電化學響應的影響,結果如圖4所示。從圖中可以看出，隨著掃速的增加，氧化還原峰電流不斷增大，同時氧化還原峰電位差稍微增大。氧化還原峰電流與掃速的平方根及峰電流對掃速的關系如下：ip(μA)=-0.484+4.306v1/2(r=0.9874);ip(μA)=0.83-8.765v1/2(r=0.9928);ip(μA)=0.1382+6.0387v(r=0.9988),ip(μA)=-0.4517-12.199v(r=0.9965);比較兩者的關系，峰電流與掃速具有明顯的線性關系。所以表明對乙酰氨基酚在該電極上的電化學響應在該速率范圍內主要受吸附控制。

研究了峰電位與掃速對數之間的關系，結果表明，在掃速小于100 mV/s時，峰電位差基本不變，當掃速大于150 mV/s時，峰電位與掃速的對數之間存在明顯的線性關系：Epa(V)=0.5371+0.0135lnv(r=0.9890),Epc(V)=0.4527-0.0064lnv(r=0.9234)。由Laviron方程[13]，根據線性關系的斜率和截距，可以計算出：nα=0.39,n(1-α)=0.45,ks=1.73 s-1。假定α=0.2～0.8，則n=2，表明對乙酰氨基酚在該電極上發生的是兩電子的氧化還原反應；據準穩態方程，當nΔEp≥200 mV及本體系計算出來的電子轉移速率常數的數值，可以判斷出對對乙酰氨基酚在該電極上的響應為準可逆響應[14]。

圖3 不同掃描圈數對1.0×10-4 mol/L對乙酰氨基酚的電化學響應影響Fig.3 Effect of various scans of electrodeposition on the electrochemical response of acetaminophena to d stand for 5,10,15 and 20 cycles.

圖4 1.0×10-4 mol/L對乙酰氨基酚在不同掃速下的循環伏安(CV)圖Fig.4 CVs of 1.0×10-4 mol/L acetaminophen at different scan rates

2.6 穩定性和重現性

在優化條件下，考察了Cu-Co-CNTs/GCE修飾電極的重現性和穩定性。對1.0×10-4mol/L的對乙酰氨基酚溶液連續測定15次，測得相對標準偏差(RSD)為1.13%。同時制備了6支修飾電極，分別測定1.0×10-4mol/L的對乙酰氨基酚的溶液，其測定值的RSD為4.5%。表明具有良好的重現性和穩定性。

圖5 不同濃度對乙酰氨基酚的微分脈沖伏安(DPV)圖Fig.5 DPV of acetaminophen at Cu-Co-CNTs/GCE(a-n stands for 0 μmol/L to 140.0 μmol/L,respectively)

2.7 線性范圍及檢出限

為消除臨近的氧化還原峰的影響，采用微分脈沖伏安法(DPV)對對乙酰氨基酚進行定量。圖5是不同濃度對乙酰氨基酚的DPV曲線及其線性關系曲線。由圖可知，其氧化峰電流與濃度在0.5～115.0 μmol/L范圍內呈現良好的線性關系，回歸方程為:Ip(μA)=2.511+0.346c(μmol/L),r=0.9935。根據檢出限的定義，計算出該方法對對乙酰氨基酚的檢出限為0.1 μmol/L。

2.8 干擾分析

2.9 實際樣品及模擬樣品測定

為驗證該方法的實用性，采用對乙酰氨基酚對照品分別用純水稀釋、健康人尿液稀釋和健康人血清稀釋的方法配制了模擬樣品；取一定量感冒靈膠囊(三九集團)采用純水溶解稀釋后制成實際樣品，利用該方法和標準方法對模擬和實際樣品進行了測定，并用數理統計的方法進行分析。結果表明，該方法測定樣品結果與國家藥典方法[15]測定結果相符，回收率在95.1%～103.2%之間，表明該方法沒有系統誤差，可以作為對乙酰氨基酚的測定方法。表1是對模擬樣品和實際感冒藥中對乙酰氨基酚的含量分析結果。另從表中可以看出，該方法在血清中的測定值基本上不受共存的基質的影響，然而在尿液中存在一定影響，使測定結果偏低，但回收率依然在可允許范圍之內。

表1 模擬樣品與實際樣品的測定結果

3 結論

采用碳納米管電沉積Cu-Co合金修飾電極實現了對乙酰氨基酚的準確測定，建立了測定對乙酰氨基酚的新檢測方法。研究了對乙酰氨基酚在該電極上的電化學行為。結果表明，對乙酰氨基酚在該電極上呈現出準可逆的電化學響應，峰電位差僅為45 mV，其電子轉移速率常數為1.73 s-1。利用該電極進行了模擬和實際樣品中對乙酰氨基酚的測定，結果與國家標準方法相符，回收率在95.1%～103.2%之間。