多壁碳纳米管修饰玻碳电极电致化学发光测

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  摘  要:借助多壁碳纳米管修饰电极对奈福泮有良好的电催化活性,以多壁碳纳米管修饰玻碳电极为工作电极,铂丝电极为对电极,饱和氯化银电极为参比电极形成三电极体系,在支持电解质为pH=7的磷酸盐缓冲液下研究了奈福泮-联吡啶钌体系[Ru(bpy)32+]的电化学发光行为,建立了多壁碳纳米管(MWCNTs)修饰剂固载联吡啶钌体系[Ru(bpy)32+]测定盐酸奈福泮的电致化学发光分析方法.研究结果表明:在0.1 mol/L、pH为7.5的磷酸缓冲溶液中,当修饰量为3 μL,钌的浓度为0.2 mmol/L,扫描速率为100 mV/s时,ECL的峰高与奈福泮的浓度在                  1×10-5~1×10-4 mol/L內成良好线性关系,线性方程为I=908.95[×]105x-323.88(R2=0.995 1),检出限为4[×10-8] mol/L(S/N=3),RSD为1.57%,并测得其回收率为97.85%~103.01%.该方法具有较高的选择性和灵敏度,样品处理简单快速,用于奈福泮的测定,结果满意.
  关键词:联吡啶钌;电致化学发光;奈福泮;玻碳电极
  中图分类号:O657.3            DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.017
  0    引言
  盐酸奈福泮,化学名为5-甲基-1-苯基-3,4,5,6-四氢-1H-2,5-氧氮苯并辛因盐酸盐,是一种新型的非成瘾性、非麻醉性中枢镇痛药[1],对中、重度疼痛非常有效[2].
  目前,常用的奈福泮的检测分析方法有:紫外分光光度法[3]、饱和水溶液法[4]、微流控芯片非接触电导检测法[5]、高效液相色谱法[6]、酸性染料比色法[7]、离子选择性电极法[8],但这些方法具有操作麻烦、耗时长、消耗成本高等缺点.基于此,本研究借助多壁碳纳米管修饰电极对奈福泮有良好的电催化活性[9],利用多壁碳纳米管优良的传递速率[10],以多壁碳纳米管修饰玻碳电极为工作电极[11],采用滴涂法将稳定性强、发光效率高、氧化还原可逆的联吡啶钌固载于电极表面,建立了多壁碳纳米碳管修饰电极用于电致化学发光检测奈福泮的高效测定[12].这种测定方法与催化溶解氧还原结合可以用于电化学发光免疫分析,且分析效果显著;同时基于保泰松对电化学发光信号的增敏作用,结合多壁碳纳米管的电催化活性,此测定方法还可以用于药物临床分析和质量监控.
  1    实验部分
  1.1   仪器和试剂
  1.1.1   试剂及主要试剂配制
  所有溶液调配所需的水皆为超纯水,配制0.1 mol/L的磷酸盐缓冲液(PBS)使用的是0.1 mol/L磷酸二氢钠和0.1 mol/L磷酸氢二钠.配制铁氰化钾溶液使用的是[1.0×10-3] mol/L铁氰化钾,[1.0×10-3] mol/L亚铁氰化钾和0.1 mol/L的氯化钾.
  1.1.2  实验仪器
  仪器及生产厂家如表2所示.铂丝电极(对电极),饱和氯化银电极(参比电极),多壁碳纳米管修饰玻碳电极(工作电极)形成三电极体系.
  1.2   实验原理
  制备了多壁碳纳米管修饰玻碳电极,采用循环伏安法研究了盐酸萘福泮在修饰电极上的电化学特性,发展了一种新的检测盐酸萘福泮的电化学分析方法.通过铂丝电极,多壁碳纳米管修饰玻碳电极,饱和氯化银电极为三电极体系,支持电解质为pH=7的磷酸盐缓冲液,发光强度-时间曲线由MPI-E型电致化学发光工作站得出,光电倍增管用于收集待测样品的ECL强度.分别记录[Ru(bpy)2+3]的发光强度和[Ru(bpy)2+3]与盐酸奈福泮体系的发光强度,绘制校正曲线,最后进行回收率的对比以及实验条件和设备条件的优化,得到优化后的线性方程,进而检测盐酸萘福泮的含量.
  1.3   修饰电极的制备[13]
  1.3.1  裸电极的预处理
  电极在修饰前,依次用0.3 μm和0.05 μm的氧化铝粉末在麂皮上抛光成镜面,按照超纯水、乙醇、超纯水的顺序各超声15 s,用玻碳电极、饱和氯化银电极和铂丝电极组成三电极系统,放于铁氰化钾溶液中,使用电化学工作站循环伏安法检测是否抛光完成,当其电位差值[在]0.064~0.080 V范围内则代表抛光完成,用N2吹干,作为待修饰裸电极.
  1.3.2  修饰液的制备
  称取0.5 mg多壁碳纳米管(MWCNTs)分散于1.0 mL含有0.05ω Nafion的乙醇-超纯水(1∶4,V/V)中,通过超声波清洗器超声分散30 min,得到分散均匀的多壁碳纳米管(Nafion-MWCNTs)修饰液.
  1.3.3  修饰电极的制备
  使用移液枪量取1~6 μL的0.5 mg/mL的Nafion-MWCNTs修饰液,滴涂于处理好的裸电极表面.修饰完毕后,室温下自然晾干,即得到实验所用修饰电极.
  1.3.4  样品溶液的配制
  称取0.289 8 g盐酸奈福泮样品,加超纯水混匀后使用10 mL容量瓶定容,得到浓度为0.1 mol/L的样品溶液;再根据需求继续定容,直至得到实验使用的[1×10-5] mol/L的奈福泮样品溶液.
  1.3.5  混合液的制备
  将制备好的缓冲液和[Ru(bpy)2+3]药品按照1∶1的比例混合,得到混合溶液.   1.3.6   ECL强度的测量
  使用电化学发光工作系统,将药品混合液加入流通池中,调节系统工作参数,记录最稳定光强,平行测试3次.
  2    结果与讨论
  2.1   电化学发光行为
  考察联吡啶钌及联吡啶钌与盐酸奈福泮体系的电化学发光的影响(意义在于本药品可以产生电化学发光)[14],整个体系的ECL光强度始于0 V,且强度最高值均位于氧化峰(8.2 V).从裸电极曲线与修饰电极曲线(见图1)可看出,在其他条件相同的情况下,修饰过后的电极相比未修饰的电极ECL强度增加30倍.
  2.2   ECL强度的选择
  实验中,在100 mV/s的扫描速率下多次进行循环伏安扫描时发现,初次扫描的氧化峰电流最大,对应的ECL强度最大;第2次与第3次扫描的峰电流以及ECL强度相继降低;其后多次扫描的氧化峰电流和ECL强度基本保持不变.
  2.3   实验条件的优化
  2.3.1  修饰液用量的优化
  实验考察了不同的修饰量对盐酸奈福泮ECL发光强度的影响,结果如图2—图3所示.
  结果表明,在修饰液浓度为0.5 mg/mL条件[15]下进行时,随着修饰量的增加,ECL强度出现特征性变化.如图2所示,在1~3 [μL]的范围内,ECL光强随修饰量的增加而增加,这是因为修饰量的增加为电子提供了更大的比表面积和更多的反应活性位点.当修饰量大于3 [μL]后,ECL光强开始随着修饰量的增加而减小,这是因为修饰膜过厚影响了电子的传递,因此,选择3 [μL]作为最佳的修饰量.从图3可看出,随时间增加,ECL光强出现特征性变化,各修饰量发光强度均在8~10 s内达到最大值,也可证明在电子传递过程中,氧化还原反应在8~10 s内产生了电化学发光响应.1 [μL]和2 [μL]比3 [μL]的光强低是因为修饰量少,提供的比表面积和反应活性位点少;4 [μL和5 μL]比3 [μL]的光强低是因为其修饰膜过厚,仪器施加电压无法穿透完全,导致其产生的激发态电子不如3 [μ]L的多;4 [μL和5] [μL]之所以比1 [μL]和2 [μL]的光强高,是因为修饰用量多,即使电压无法完全穿透其修饰膜,但仍然比完全穿透膜的1 [μL]和2 [μL]产生的激发态电子多.
  2.3.2   pH值的优化
  缓冲体系的pH值对胺类药物与[Ru(bpy)2+3]反应有着重要的影响,实验考察Na2HPO4-NaH2PO4缓冲体系对联吡啶钌与盐酸奈福泮体系的ECL及其电化学发光的影响.结果如图4—图5所示.
  图4结果表明,随着pH值的增大,发光强度出现特征性变化.pH值在6.5~7.5的范围内,随着pH值增加,发光强度增大;当pH[>]7.5后,发光强度随着pH值的增大而降低,在pH=7.5时发光强度达到最高值,故本实验选择的是pH=7.5的PBS缓冲体系.图5结果表明,随着时间的增加,不同pH值的发光强度均在8~9 s内出现最大值,这是因为在电子传递过程中发生了氧化还原反应,所以在8~9 s时产生了电化学发光响应,导致发光强度增强.
  2.3.3   [Ru(bpy)2+3]浓度的优化
  实验考察了不同浓度的[Ru(bpy)2+3]对盐酸奈福泮ECL强度的影响,结果如图6—图7所示.
  图6结果表明,[Ru(bpy)2+3]浓度对发光强度也会产生一定的影响,在0.08~0.20 mmol/L的浓度范围内,随着[Ru(bpy)2+3]浓度的增加,ECL强度增大;但当[Ru(bpy)2+3]的浓度达到0.20 mmol/L时,随着[Ru(bpy)2+3]浓度的增加,ECL强度减小,故选择0.20 mmol/L的[Ru(bpy)2+3]浓度.如图7所示,随着时间增加,ECL光强均在8~9 s出现最大值,这是因为在电压不变的情况下,电极表面产生激发态电子,激发态电子在还原[Ru(bpy)2+3]后返回基态产生光强,所以一开始随着[Ru(bpy)2+3]浓度的增加,激发态返回基态的电子增加导致光强增大.当[Ru(bpy)2+3]的浓度增加到一定值后,随着扫描时间的增加,电子活性降低,传递速率减慢,所以其发光体系产生的光强会逐渐降低.为了得到更高的ECL光强,实验选择0.2 mmol/L的[Ru(bpy)2+3]浓度.
  2.3.4  仪器参数的优化
  扫描速率:实验考察了不同的扫描速率(40~120 mV/s)对发光强度的影响,结果如图8所示.
  由图8可知,在40~100 mV/s的扫描速率范围内,发光强度随着扫描速率的增大而不断增大;当达到100 mV/s时 ,ECL发光强度增加趋于平缓,这是因为扫描速率已经足够大,使得电极表面产生的联吡啶钌(Ⅲ)速率与电极比表面积达到平衡.考虑到光电倍增管的使用寿命,故选择100 mV/s的扫描速率为最佳实验条件.
  2.4   线性方程
  实验选定的最佳条件下,通过电致化学发光工作站记录不同浓度的盐酸奈福泮标准溶液的发光强度[16],以相对峰高对浓度进行线性回归,如图9所示,其对应电化学发光图如图10所示.
  盐酸奈福泮的浓度在1[×]10-5~1[×]10-4 mol/L的范围内呈良好线性关系,线性方程:I=908.95[×]105x-323.88,检出限为4[×10-8] mol/L(S/N=3).連续测定1[×]10-5 mol/L的盐酸奈福泮[17],发光强度值的RSD为1.46%,可见本方法具有较高的灵敏度[18].   2.5   方法效果比较
  通过查阅文献,对检测盐酸萘福泮的多种方法进行比较分析,如表3所示.
  2.6   回收率
  2.7   样品分析
  称取5片盐酸奈福泮药片研磨粉碎,称取0.289 8 g盐酸奈福泮样品[21]加水溶解,经超声充分震碎[22],混匀过滤后用水定容于100 mL的棕色容量瓶中,得到0.01 mol/L的盐酸奈福泮,经稀释后得到1[×]10-5 mol/L的样品溶液[23],在最佳条件下进行测定,测定结果如表5所示.
  样品分析可得该方法可用于有效分析,测定盐酸奈福泮.
  3    结论
  本实验中并未纯化过的多壁碳纳米管,经过完成修饰电极和优化条件后,得到碳纳米管修饰电极检测盐酸奈福泮的ECL光强度比裸电极高30倍,0.5 mg/mL盐酸萘福泮的最优修饰量为3 [μL],最佳pH值为7.5,最佳[Ru(bpy)2+3]浓度为0.2 mmol/L,最佳扫描速率为100 mV/s.与常规修饰的金属电极相比,玻碳电极更易操作,且盐酸奈福泮在1×10-5~1×10-4 mol/L的浓度范围内呈良好线性规律,线性方程为                          I=908.95[×]105x-323.88,R2=0.995 1,实验说明其监测范围广,可以快速准确地检测出微量的盐酸奈福泮的含量.
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