基于活化鉛筆芯電極的撲熱息痛電化學(xué)傳感器

鄭 霄 陳蘇靖 李芳芳 鄧 娟 鄭冬云*,2,3

(1.中南民族大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院湖北武漢 430074;2.中南民族大學(xué)腦認(rèn)知國家民委重點實驗室湖北武漢 430074;3.醫(yī)學(xué)信息分析及腫瘤診療湖北省重點實驗室湖北武漢 430074)

撲熱息痛亦稱對乙酰氨基酚，它是一種常見的非抗炎解熱鎮(zhèn)痛藥[1]，但過量服用該藥會出現(xiàn)一些毒副作用[2]，因此對藥品中撲熱息痛含量的準(zhǔn)確測定具有十分重要的生物醫(yī)學(xué)意義。目前，常用于撲熱息痛含量測定的主要有分光光度法、高效液相色譜法、紅外光譜法、電化學(xué)發(fā)光法、酶催化光度法、電化學(xué)傳感法等方法。其中，電化學(xué)傳感法具有操作簡單、成本低、線性范圍寬、靈敏度高，響應(yīng)時間短等特點，可實現(xiàn)對撲熱息痛的在線實時動態(tài)檢測[3]。

鉛筆芯是由粘土和石墨按一定比例混合而制成的，它具有良好的導(dǎo)電性。鉛筆芯電極即是以普通鉛筆芯為基體材料制作而成，與其他固體電極相比，具有易于修飾、電位窗口寬、殘余電流小、生物兼容性好等優(yōu)點[4]。此外，與同為碳質(zhì)電極的玻碳電極相比，鉛筆芯電極與玻碳電極有相似的伏安響應(yīng)，并且它的制備方法簡單、價格低廉、比表面積大、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較好[5，6]。因此，鉛筆芯電極及化學(xué)修飾鉛筆芯電極在電化學(xué)傳感領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[7-9]。

本工作以2B鉛筆芯為基體自制了裸鉛筆芯電極，并將其置于0.1 mol/L KClO4和Na2CO3混合溶液中進(jìn)行簡單的循環(huán)伏安掃描，對電極表面進(jìn)行活化，有效改善了電極的表面性能，提高了電極對撲熱息痛的富集量及傳感靈敏度。同時，對撲熱息痛在活化鉛筆芯電極上的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理也進(jìn)行了探討。該撲熱息痛電化學(xué)傳感器具有制備簡單、線性范圍寬、靈敏度高、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好等優(yōu)點，并被成功應(yīng)用于實際樣品中撲熱息痛含量的測定。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660D電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)；Sirion 200場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FEI公司)；CL-200集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(金壇市予儀器有限責(zé)任公司)；pHS-3E酸度計(上海佑科儀器儀表有限公司)。鉛筆芯(直徑為0.5 mm，2B，廠家：TOUCH LINE)和環(huán)氧樹脂膠(AB膠)均購自超市；導(dǎo)電銀膠購自深圳市鑫威新材料股份有限公司。

多巴胺(DA)、尿酸(UA)、抗壞血酸(AA)購自Fluka化學(xué)試劑公司；撲熱息痛、無水乙醇、Na2CO3、KClO4、NaH2PO4、Na2HPO4、KCl均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實驗所用的其他試劑均為分析純，實驗用水為超純水。

撲熱息痛緩釋片(泰諾，本品每片含主要成分撲熱息痛0.325 g)。

1.2 實驗方法

1.2.1 裸鉛筆芯電極的制備依據(jù)文獻(xiàn)方法[10，11]制備裸鉛筆芯電極。用導(dǎo)電銀膠將銅絲與2 cm長的小段鉛筆芯牢固粘接在一起，然后小心緩慢插入塑料槍頭中。用AB膠將塑料槍頭的兩端進(jìn)行密封，并將外露的鉛筆芯長度裁剪至5 mm，即制得裸鉛筆芯電極(Pencil Graphite Electrode,PGE)。使用之前將裸PGE置于5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]+1 mol/L KCl混合液中，在-0.2～+0.8 V電位范圍內(nèi)，以50 mV/s的速率進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，并確保所制備的裸PGE均具有幾乎相同的電極面積，這是保證所制備的傳感器具有良好重現(xiàn)性的重要前提。

1.2.2 活化鉛筆芯電極的制備將裸PGE置于0.1 mol/L KClO4和Na2CO3混合溶液中，在-0.3～+2.0 V電位范圍內(nèi)，采用循環(huán)伏安法，以100 mV/s掃描速率環(huán)掃8圈，所制得的電化學(xué)活化鉛筆芯電極(Electrochemically Activated Pencil Graphite Electrode,EAPGE)即為撲熱息痛電化學(xué)傳感器。

1.2.3 撲熱息痛的電化學(xué)檢測檢測體系均采用三電極系統(tǒng)。其中，裸PGE或EAPGE為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對電極。檢測底液：0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH=7.0)，掃描電位范圍：0～0.8 V，富集電位：0.2 V，富集時間：40 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同電極的表面形貌表征

為探究EAPGE對撲熱息痛的電催化機(jī)理，對不同電極的表面形貌進(jìn)行了掃描電子顯微鏡(SEM)表征，如圖1所示。裸PGE的表面呈典型的石墨片層結(jié)構(gòu)，表面比較光滑平整(圖1A)；而在EAPGE表面，僅有小部分石墨片層結(jié)構(gòu)依稀可見，而大部分都被侵蝕，呈碎片狀，整個表面凹凸不平，較疏松多孔(圖1B)。顯然，相較于裸PGE，EAPGE具有較大的表面積，這有利于撲熱息痛在電極表面的富集，從而有效提高撲熱息痛電化學(xué)傳感的靈敏度。

圖1 裸PGE(A)和EAPGE(B)的掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 SEM images of bare PGE(A) and EAPGE(B)

2.2 鉛筆芯電極的電化學(xué)活化機(jī)制探討

裸PGE的循環(huán)伏安掃描電化學(xué)活化過程如圖2所示。在活化過程中，于1.55 V左右出現(xiàn)了一個氧化峰，對應(yīng)于C的氧化。同時，第1圈的氧化峰峰形較好，峰電流較大，且伏安曲線平滑，說明電極表面比較光滑平整。在2～8圈的掃描過程中，伏安曲線鋸齒狀，噪音較大，峰電流較小，在實驗過程中可觀察到電極表面有氣泡產(chǎn)生。說明電極表面正在被腐蝕而變得疏松，這與SEM表征結(jié)果一致。Allen等[12]的研究表明，在碳電極的電化學(xué)活化過程中，碳電極中的C可與底液中的O2反應(yīng)生成CO2，而CO2溶于底液后又可以生成可溶性碳酸鹽，而不管是CO2的產(chǎn)生還是可溶性碳酸鹽的生成，均會對碳電極造成侵蝕，使其表面變得疏松，與待測底物的有效接觸面積增大。

采用K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]對EAPGE的電化學(xué)性能進(jìn)行了表征(圖3)。相比于裸PGE，在EAPGE上 [Fe(CN)6]3-/4-的氧化與還原峰電流均增大，其氧化峰電位略微升高而還原峰電位略微降低。前者可能歸因于EAPGE較大的比表面積，后者可能是由于EAPGE表面含有一些含氧基團(tuán)[13，14]，如羥基、羧基、羰基等。這些基團(tuán)均帶有負(fù)電荷，會對[Fe(CN)6]3-/4-產(chǎn)生靜電排斥作用。

圖2 裸PGE在含有0.1 mol/L KClO4和Na2CO3溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of bare PGE in 0.1 mol/L KClO4 and Na2CO3 solution Scan rate is 100 mV/s.

圖3 裸PGE和EAPGE在含有1 mol/L KCl的5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of bare PGE and EAPGE in 5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4- and 1 mol/L KCl solution Scan rate is 50 mV/s.

2.3 撲熱息痛在不同電極上的電化學(xué)響應(yīng)

圖4 裸PGE(內(nèi)插圖)和EAPGE在含有2.0×10-5 mol/L(實線)和0 mol/L撲熱息痛(虛線)的0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中的循環(huán)伏安圖Fig.4 Cyclic voltammograms of bare PGE(insert) and EAPGE in 0.1 mol/L PBS(pH=7.0) containing 2.0×10-5 mol/L(black solid line) and 0 mol/L paracetamol(gray dash line) Scan rate is 100 mV/s.

采用循環(huán)伏安法對2.0×10-5mol/L撲熱息痛在裸PGE和EAPGE上的電化學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了考察。撲熱息痛的電化學(xué)反應(yīng)是一個準(zhǔn)可逆過程，且氧化峰峰形明顯優(yōu)于還原峰，因此選擇氧化峰作為研究對象。其中，在裸PGE上可以看到一個比較小而鈍的氧化峰，其峰電位Ep=0.422 V，峰電流Ip=2.201×10-6A(圖4內(nèi)插圖)。在EAPGE上，當(dāng)?shù)滓褐胁缓瑩錈嵯⑼磿r觀察不到電化學(xué)響應(yīng)(圖4中虛線)，而當(dāng)?shù)滓褐泻?.0×10-5mol/L的撲熱息痛時，可以看到一個比較大而尖銳的氧化峰，峰電位Ep=0.409 V，峰電流Ip=2.452×10-5A(圖4中實線)。相比于裸PGE，撲熱息痛在EAPGE上的電化學(xué)響應(yīng)得到了明顯改善，峰電位降低了13 mV，峰電流增大了22.32 μA，約為10倍。這說明EAPGE對撲熱息痛的電化學(xué)氧化具有良好的催化作用，可用于撲熱息痛的電化學(xué)傳感。Chiavazza等[15]曾將玻碳電極在硼酸-磷酸鹽緩沖溶液中進(jìn)行電化學(xué)活化，并將活化電極應(yīng)用于撲熱息痛的電催化分析，其研究表明電化學(xué)活化后，碳電極表面會形成一個具有電活性的均質(zhì)粘附層，該粘附層對含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的小分子具有良好的電催化作用。此外，電化學(xué)活化后，碳電極的表面電阻顯著降低，有利于加速電子傳遞。

2.4 掃描速率對撲熱息痛電化學(xué)響應(yīng)的影響

采用線性掃描伏安法，考察了不同掃描速率下?lián)錈嵯⑼丛贓APGE上的電化學(xué)行為，結(jié)果如圖5A所示。在25～325 mV/s的掃速范圍內(nèi)，撲熱息痛的氧化峰和還原峰電流均隨著掃速的增大而線性增加(圖5B)，表明撲熱息痛在EAPGE上的電化學(xué)反應(yīng)是一個受吸附控制的過程[16]。同時，隨著掃描速率的增加，撲熱息痛的還原峰電位僅有稍許負(fù)移，與掃描速率成較差的線性關(guān)系；相反，氧化峰電位逐漸正移，且與掃描速率的自然對數(shù)呈良好的線性關(guān)系(圖5C)，根據(jù)Laviron理論[17]，可計算出撲熱息痛在EAPGE上的電子轉(zhuǎn)移數(shù)：n=2.4≈2，與已有報道[18]一致。

圖5 (A)不同掃描速率下(由內(nèi)向外依次為：25,50,75,100,125,150,175,200,225,250,275,300,325 mV/s)5.0×10-5 mol/L撲熱息痛在EAPGE上的循環(huán)伏安圖;(B)撲熱息痛氧化還原峰電流與掃速之間的線性關(guān)系圖;(C)撲熱息痛氧化還原峰電位與掃速自然對數(shù)之間的線性關(guān)系圖Fig.5 (A)Cyclic voltammograms of 5.0×10-5 mol/L paracetamol on EAPGE at different scanning rates(from inner to outer the scan rate are 25,50,75,100,125,150,175,200,225,250,275,300 and 325 mV/s,separately);(B)The linear relationship between the oxidation reduction peak currents and scan rate;(C)The linear relationship between the oxidation reduction peak potentials and the common logarithm of scan rate

2.5 底液pH值對撲熱息痛電化學(xué)響應(yīng)的影響

圖6 (A)不同pH值的0.1 mol/L PBS中5.0×10-5 mol/L撲熱息痛在EAPGE上的循環(huán)伏安圖；(B)撲熱息痛氧化峰電流與底液pH值之間的關(guān)系；(C)撲熱息痛氧化峰電位與底液pH值之間的線性關(guān)系Fig.6 (A)Cyclic voltammograms of 5.0×10-5 mol/L paracetamol on EAPGE in 0.1 mol/L PBS with different pH value;(B)The relationship between oxidation peak current and pH value;(C)The linear relationship between oxidation peak potential and pH valueScan rate is 100 mV/s.

采用循環(huán)伏安法，對底液pH值的影響進(jìn)行了考察，結(jié)果如圖6所示。底液pH值在4.0～9.0范圍內(nèi)逐漸升高時，撲熱息痛的氧化峰電流逐漸增大，pH值為7.0時達(dá)到最大，隨后逐漸減小(圖6B)，故本實驗選擇7.0為檢測底液的最佳pH值。同時，撲熱息痛的氧化峰電位逐漸降低，且與底液pH值呈良好的線性關(guān)系(圖6A和圖6C)，說明撲熱息痛在EAPGE上的電化學(xué)反應(yīng)過程有質(zhì)子參與。結(jié)合關(guān)系式：Ep=K-0.059(m/n)pH(式中K為常數(shù)，m為反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的質(zhì)子數(shù)，n為轉(zhuǎn)移的電子數(shù))可知，當(dāng)撲熱息痛在EAPGE上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時，轉(zhuǎn)移質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)相同。綜上所述，撲熱息痛在EAPGE上的電化學(xué)反應(yīng)是一個兩質(zhì)子兩電子參與的準(zhǔn)可逆過程。反應(yīng)方程式推測如下：

2.6 電化學(xué)傳感的線性范圍和檢出限

圖7 (A)不同濃度撲熱息痛在EAPGE上的方波伏安圖。(B，C)撲熱息痛氧化峰電流與其濃度之間的線性關(guān)系圖Fig.7 (A)Square wave voltammograms of different concentrations of paracetamol on EAPGE;(B,C)The linear relationship between the oxidation peak currents of paracetamol and its concentrations

采用方波伏安法，考察了EAPGE用于撲熱息痛電化學(xué)傳感的線性范圍和檢出限，方波伏安法結(jié)果如圖7所示。隨著撲熱息痛濃度的增大，其在EAPGE上的氧化峰電流逐漸增大，且在濃度3.0×10-6～1.0×10-5mol/L(7A)及1.0×10-5～1.0×10-4mol/L(7B)范圍內(nèi)，與其氧化峰電流呈良好線性關(guān)系，線性方程分別為：Ip(μA)=-2.93+2.16c(μmol/L),R2=0.99；Ip(μA)=13.05+1.08c(μmol/L),R2=0.99。當(dāng)信噪比為3時，其檢出限為9.0×10-7mol/L。

2.7 電化學(xué)傳感的抗干擾能力、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

對傳感器的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性進(jìn)行了考察。同一支EAPGE在空氣中放置30 d后，其對20 μmol/L撲熱息痛的電化學(xué)響應(yīng)仍能保持初始信號的92%，表明傳感器穩(wěn)定性良好。用10支EAPGE平行檢測20 μmol/L的撲熱息痛，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為8.2%；用同一支EAPGE對20 μmol/L撲熱息痛平行測定10次，其RSD為4.3%，說明傳感器重現(xiàn)性良好。

2.8 實際樣品分析

取撲熱息痛緩釋片5片(含撲熱息痛0.325 g/tablet)，在研缽中研碎，然后加入無水乙醇，攪拌，使其充分溶解后過濾，用無水乙醇洗滌3～4次后，轉(zhuǎn)入250 mL容量瓶中，用無水乙醇定容至刻度，即得待測試液。在10 mL 0.1 mol/L PBS(pH=7.0)中，用微量進(jìn)樣器加入5 μL試液，按2.6節(jié)方法進(jìn)行測定，測定結(jié)果及回收率如表1所示。

表1 樣品分析結(jié)果與回收率實驗Table 1 Results of sample analysis and recovery experiment

3 結(jié)論

制備了電化學(xué)活化鉛筆芯電極，其表面的均質(zhì)粘附層以及疏松多孔的結(jié)構(gòu)，使得該電極對撲熱息痛的電化學(xué)反應(yīng)具有良好的催化作用，同時電化學(xué)活化使電極表面攜帶了很多含氧基團(tuán)，其與撲熱息痛之間的氫鍵作用，對傳感器良好的選擇性起著關(guān)鍵的作用。該電化學(xué)傳感器具有制備簡單、線性范圍寬、靈敏度高、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好等優(yōu)點，可用于實際樣品中撲熱息痛含量的測定。