氫化可的松在石墨烯修飾電極上的電化學(xué)行為及測(cè)定*

郭紅衛(wèi)，馬苑紅，譚雪玲，鐘 楠，余煜燊，李 嵐

(嘉應(yīng)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院, 廣東 梅州 514015)

石墨烯(GR)是一種由碳原子以sp2雜化組成，具有正六邊形蜂巢狀結(jié)構(gòu)的二維納米材料。此外，石墨烯具有比碳納米管和金剛石更為優(yōu)良的導(dǎo)電性能，且具有更高的比表面積和更發(fā)達(dá)的孔構(gòu)造，可降低電解質(zhì)離子在電極孔中的傳遞阻力[1]。在常溫下石墨烯的電阻率極低，電子轉(zhuǎn)移速率極快，電化學(xué)穩(wěn)定性好，因此可用來(lái)制造導(dǎo)電速率更快、比表面積更大和活性位點(diǎn)更多的新型電極。

氫化可的松(Hydrocortisone，HC)是一短效的糖皮質(zhì)激素[2]，在臨床上主要用于治療腎上腺功能不全所引起的各種疾病[3]。這類激素對(duì)輕度臉部皮炎等病癥也有明顯的效果，但大量使用此激素會(huì)產(chǎn)生一定的抗藥性，甚至?xí)?dǎo)致骨質(zhì)疏松以及對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成神經(jīng)毒害等多種不良反應(yīng)[4-6]，因此，此類激素在化妝品中屬于禁用成分，而尋找高效、便捷的檢測(cè)手段具有學(xué)術(shù)與現(xiàn)實(shí)價(jià)值。現(xiàn)有的氫化可的松類激素的分析技術(shù)主要有熒光光譜法[7]、化學(xué)發(fā)光法[8]、高效液相色譜法以及色譜聯(lián)用法[9-11]、生物和免疫傳感器法等[12]。熒光光譜法檢測(cè)限低，但選擇性比較差；HPLC法與色譜聯(lián)用法都具有高選擇性等特點(diǎn)，但所需的儀器都較為昂貴；化學(xué)發(fā)光法和眾多的生物和免疫傳感器對(duì)氫化可的松具有靈敏的信號(hào)響應(yīng)，然而這些方法會(huì)產(chǎn)生一定程度的化學(xué)污染，且與其他甾類化合物的交叉反應(yīng)往往會(huì)在分析測(cè)量中引入一定誤差。電化學(xué)方法在一定程度上可以彌補(bǔ)以上測(cè)量方法的不足[13]。現(xiàn)今，電化學(xué)法分類眾多，應(yīng)用廣泛，同時(shí)具有較低的檢出限，樣品制備過(guò)程簡(jiǎn)單。并且在電極表面修飾不同類型的覆蓋層如石墨烯[14]、碳納米管等超高導(dǎo)電材料后可以有效提升方法的靈敏度[15]，因此衍生出各類簡(jiǎn)便快捷的電化學(xué)分析檢測(cè)手段。

我們通過(guò)電沉積石墨烯構(gòu)建一種新型石墨烯修飾玻碳電極，結(jié)合差分脈沖伏安技術(shù)檢測(cè)氫化可的松含量并探究其電化學(xué)行為，為檢測(cè)藥物、化妝品和食品中微量氫化可的松提供了一種新的方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要儀器與試劑

所有伏安測(cè)量均在CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)上進(jìn)行，使用經(jīng)典的三電極體系。石墨烯修飾玻碳電極作為工作電極，鉑片作為對(duì)電極，Hg/Hg2Cl2電極(飽和KCl)作為參比電極。

石墨烯，南京先豐納米材料科技有限公司；氫化可的松(化學(xué)對(duì)照品)，阿拉丁試劑(上海)有限公司。其余試劑均為分析純?cè)噭袑?shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 GR/GCE電極的制備

每次使用前，將玻碳電極(直徑為3 mm)在拋光布上依次用Al2O3顆粒(1.0、0.3 μm)拋光，超純水沖洗后，按序在乙醇和超純水中超聲蕩洗1 min，氮?dú)獯蹈蓚溆谩?/p>

將石墨烯超聲分散在水中，制得濃度為1 mg/mL的分散液，然后把10 mL 0.1 mol/L KCl溶液和1 mL 1 mg/mL石墨烯加入電解池，將GCE電極置于電解液中，并在+1.7 V恒電位電解30 min，即制得GR/GCE。

1.2.2 伏安測(cè)試

所有伏安測(cè)試均在0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前向溶液通入氮?dú)?5 min除氧。

2 結(jié)果與討論

2.1 GR/GCE電極對(duì)氫化可的松的電化學(xué)響應(yīng)性能分析

用伏安法研究了GCE和GR/GCE電極對(duì)100 μg/mL氫化可的松的電化學(xué)響應(yīng)性能(pH=6.0磷酸鹽緩沖體系)。如圖1所示，在GCE上氫化可的松僅有一很小的還原峰，其峰電位約為-1.49 V。然而在GR/GCE上，氫化可的松峰電流明顯增加且峰電位正移(峰電位為-1.46 V)，GR/GCE較GCE對(duì)氫化可的松電催化活性更好，這是由于石墨烯修飾電極具有更大的比表面積、更多的活性位點(diǎn)及更好的導(dǎo)電性能，有利于提高GR/GCE電極的檢測(cè)靈敏度。

圖1 氫化可的松在GCE(1)與GR/GCE(2)電極上的 循環(huán)伏安曲線Fig.1 Cyclic voltammetry curves of hydrocortisone at GCE (1) and GR/GCE (2)

2.2 氫化可的松在GR/GCE電極上的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

為了探討氫化可的松在GR/GCE電極上的反應(yīng)作用機(jī)理，在pH=6.0磷酸鹽緩沖體系下，在掃速15～100 mV/s范圍內(nèi)，利用LSV考察了100 μg/mL氫化可的松的還原峰電流Ipc和掃速ν之間的關(guān)系。結(jié)果見(jiàn)圖2，隨著掃速ν的增加，氫化可的松的Ipc漸漸增大，Ipc～v0.5呈現(xiàn)線性關(guān)系，其線性回歸方程為：Ipc=420.74v0.5-23.72(R=0.9978)，說(shuō)明了電極過(guò)程主要受擴(kuò)散過(guò)程控制。

圖2 不同掃速下氫化可的松的線性掃描伏安圖Fig.2 Linear sweep voltammetry of hydrocortisone at different sweep rates

我們同時(shí)分析了氫化可的松的還原峰電位Epc和掃速ν之間的關(guān)系。由圖2可知：隨著掃速ν的增加，峰電位負(fù)移，這說(shuō)明氫化可的松的電化學(xué)還原反應(yīng)是不可逆的。根據(jù)Laviron理論[16]，其電極電位和掃速符合以下方程：

其中，Epc為該反應(yīng)的陰極峰電位，E0為該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位，α為電化學(xué)傳遞系數(shù)，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。

圖3 氫化可的松的峰電位Epc與logν線性關(guān)系擬合圖Fig.3 The linear relationship between the peak potential Epc of hydrocortisone and logν

圖3為還原峰電位Epc與掃速的對(duì)數(shù)logν的線性關(guān)系擬合圖，可以觀察到Epc～logν呈現(xiàn)線性關(guān)系，其線性回歸方程為：Epc=-0.069 logv-1.58(R=0.996)。由圖3的斜率，可得αn=0.86，不可逆過(guò)程的α通常為0.5，則n=1.72≈2，即電子轉(zhuǎn)移數(shù)為2。因此，氫化可的松在GR/GCE電極表面的還原過(guò)程是兩電子反應(yīng)，機(jī)理如下：

2.3 定量分析條件的優(yōu)化

2.3.1 溶液酸度對(duì)測(cè)定的影響

根據(jù)反應(yīng)機(jī)理，H+參與氫化可的松在GR/GCE電極上的還原過(guò)程，pH會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的靈敏度，實(shí)驗(yàn)探究了不同pH對(duì)氫化可的松在GR/GCE電極上還原峰電流Ipc的影響。結(jié)果如圖4，隨著pH的增大，氫化可的松的Ipc先逐漸增大后明顯減小，在pH=6.0時(shí)，Ipc達(dá)到最大值，因此，選取pH=6.0的磷酸鹽緩沖溶液作為支持電解質(zhì)。

圖4 pH對(duì)氫化可的松峰電流的影響Fig.4 Effect of pH on peak current of hydrocortisone

2.3.2 富集電位和富集時(shí)間對(duì)測(cè)定的影響

富集電位和富集時(shí)間是差分脈沖伏安法中的重要參數(shù)，對(duì)測(cè)定的準(zhǔn)確性和靈敏度有顯著影響。因此本實(shí)驗(yàn)考察了這些參數(shù)對(duì)氫化可的松在GR/GCE電極上伏安響應(yīng)的影響，以提高電極的電分析性能。

圖5顯示了不同富集電位對(duì)100 μg/mL氫化可的松還原峰電流Ipc的影響。隨著富集電位變得更正，氫化可的松的Ipc逐漸增大，當(dāng)富集電位在0.3～0.6 V范圍時(shí)，Ipc較大且穩(wěn)定，故選擇富集電位為0.4 V。

圖5 富集電位對(duì)氫化可的松峰電流的影響Fig.5 Effect of enrichment voltage on peak current of hydrocortisone

圖6顯示了不同富集時(shí)間對(duì)100 μg/mL氫化可的松還原峰電流Ipc的影響，隨著富集時(shí)間的增大，氫化可的松的Ipc逐漸增大，當(dāng)富集時(shí)間在90～150 s范圍時(shí)，Ipc較大且穩(wěn)定。故選擇富集時(shí)間為120 s。

圖6 富集時(shí)間對(duì)氫化可的松峰電流的影響Fig.6 Effect of enrichment time on peak current of hydrocortisone

2.4 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線及方法檢出限

在優(yōu)化條件下，采用GR/GCE電極運(yùn)用DPV技術(shù)(脈沖振幅0.05 V、脈沖寬度0.05 s和電壓增幅0.003 V)檢測(cè)氫化可的松，圖7(a)為不同濃度氫化可的松在GR/GCE電極上的DPV 響應(yīng)曲線。從圖中可看出，隨著氫化可的松濃度的增加，氫化可的松的還原峰電流Ipc逐漸增大。對(duì)其還原峰電流Ipc與logC之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7(b)，氫化可的松濃度在 0.2～100 μg/mL范圍內(nèi)， logC與Ipc具有線性關(guān)系。其線性回歸方程為Ipc=13.8 logC+9.6 (R=0.996)。方法檢出限為 0.02 μg/mL(S/N=3)。

圖7 (a) 不同濃度氫化可的松的DPV圖； (b) 峰電流與logC的關(guān)系Fig.7 (a) DPV curves of hydrocortisone at different concentrations； (b) Relationship between peak current and log C

2.5 測(cè)定的精密度及抗干擾實(shí)驗(yàn)

用同一只GR/GCE電極對(duì)1 μg/mL氫化可的松溶液進(jìn)行 12次測(cè)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5%。結(jié)果表明該GR/GCE電極有較好的重現(xiàn)性。

2.6 回收率實(shí)驗(yàn)

在回收率實(shí)驗(yàn)中，在25 mL容量瓶中移入2 mL氫化可的松注射液，并用無(wú)水乙醇定容。利用DPV技術(shù)測(cè)其含量，并在樣品中加入3個(gè)濃度水平的氫化可的松標(biāo)準(zhǔn)溶液，進(jìn)行加標(biāo)回收率測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。樣品平均回收率為93～105%，說(shuō)明GR/GCE電極用于實(shí)際樣品中氫化可的松的檢測(cè)有較好的準(zhǔn)確度。

表1 氫化可的松回收率的測(cè)定(n=3)Table 1 Determination of recovery rate of hydrocortisone

3 結(jié) 論

通過(guò)電沉積石墨烯成功制備了石墨烯修飾電極，并研究了氫化可的松在修飾電極上的電化學(xué)行為。結(jié)果表明，GR/GCE對(duì)氫化可的松顯示出較好的電催化活性，電極過(guò)程是一個(gè)兩電子還原反應(yīng)，并且電極反應(yīng)速度受擴(kuò)散控制。該電極用于氫化可的松的定量分析，顯示出較低的檢出限，較好的精密度和準(zhǔn)確度及抗干擾能力。