呋塞米在APTS與石墨烯復合修飾碳糊電極上的電化學行為及電分析方法研究

吳 銳，田碧桃，馬少寧，陳紀文，高作寧

(1.銀川能源學院 石油化工系，寧夏 銀川 750100；2.寧夏出入境檢驗檢疫局，寧夏 銀川 750100；3.寧夏大學 化學化工學院，寧夏 銀川 750021；4.寧夏寶塔化工中心實驗室，寧夏 銀川 750100)

呋塞米在APTS與石墨烯復合修飾碳糊電極上的電化學行為及電分析方法研究

吳 銳1，田碧桃2，馬少寧1，陳紀文1，高作寧3,4*

(1.銀川能源學院 石油化工系，寧夏 銀川 750100；2.寧夏出入境檢驗檢疫局，寧夏 銀川 750100；3.寧夏大學 化學化工學院，寧夏 銀川 750021；4.寧夏寶塔化工中心實驗室，寧夏 銀川 750100)

研究了呋塞米(FUR)在3-氨基丙基三氧基硅烷(APTS)和石墨烯(RGO)復合修飾碳糊電極(APTS-RGO/CPE)上的電化學行為。實驗結果表明，與CPE相比，APTS-RGO/CPE對呋塞米的電化學氧化顯著增強，其氧化峰電流增加3.4倍。同時采用循環伏安法(CV)、計時電流法(CA)測定了FUR在APTS-RGO/CPE上的電極反應動力學參數，用微分脈沖伏安法(DPV)測得FUR氧化峰電流與濃度的線性范圍為1.3～330 mg/L，檢出限(LOD,S/N=3)為1.1×10-2mg/L。將該修飾電極應用于市售呋塞米片劑的檢測，相對標準偏差(RSD)為0.4%～ 4.4%，回收率為98.5%～99.7%，檢測結果符合電化學定量測定要求。

呋塞米；3-氨基丙基三氧基硅烷；石墨烯；修飾碳糊電極；電分析方法

圖1 FUR的結構式Fig.1 The structure of furosemide

呋塞米(Furosemide，FUR，結構式見圖1)，化學名2-[(2-呋喃甲基)氨基]-5(氨磺?；?-4氯苯甲酸，又名速尿、呋喃苯胺酸，是一種強效利尿劑，因口服吸收迅速，吸收率高，臨床上用于治療水腫以及促進上部尿道結石的排出。研究表明呋塞米對心力衰竭和心肌重塑有很好的療效[1-2],同時也可降低急性心力衰竭的死亡率[3-4]；因具有一定的血管擴張作用，故在治療急性哮喘[5]、降低鼻竇手術后鼻息肉的復發率[6]方面也有應用。呋塞米具有排尿降低體重能力，是奧委會的違禁物品[7]，更是不法廠商生產減肥保健品的非法添加藥品[8]。長期大量服用呋塞米可以導致體內電解質平衡失調、腎臟毒性、腎功能衰竭[9]。目前，測定FUR的方法主要有分光光度法[10]、熒光法[11]、化學發光法[12-13]、色譜法[14-15]、毛細管電泳法[16]和電化學分析法[17-19]等。其中電化學方法主要有金電極直接測定法[17]、多壁碳納米管修飾碳糊電極法[18]和石墨電極直接測定法[19]。本文采用3-氨基丙基三氧基硅烷(APTS)與石墨烯(RGO)復合修飾碳糊電極(APTS-RGO/CPE)建立了呋塞米的電化學檢測方法，具有靈敏度高、選擇性好、操作簡單等優點。

石墨烯(RGO) 因其獨特的結構以及良好的電催化效果，被廣泛應用于電化學檢測[20-23]。3-氨基丙基三氧基硅烷(APTS)可作為納米材料的連接劑，形成具有特殊結構的納米材料[24]，而其良好的導電性能也使其應用于電化學檢測[25]。本文利用APTS與RGO制備了APTS-RGO/CPE。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660A電化學工作站(美國CHI儀器公司)；三電極系統：工作電極為自制的CPE、ATPS-CPE、RGO/CPE和APTS-RGO/CPE電極，飽和甘汞電極(上海雷磁232型)為參比電極，CHI115鉑絲為輔助電極。

呋塞米(武漢遠成共享科技有限公司，生產批號：54-30-2，純度≥99%)，3-氨基丙基三氧基硅烷(成都化夏試劑有限公司，生產批號：13822-56-1，純度≥99%)，石墨烯為本實驗室合成[11]。本實驗所用藥品、試劑均為分析純，使用二次蒸餾水配制各種溶液，測試前先將高純氮氣通入電解杯中除去氧氣，所有測試均在室溫下進行。

1.2 電極制作

碳糊電極(CPE)和石墨烯修飾碳糊電極(RGO/CPE) 參考文獻[23]制作。3-氨基丙基三氧基硅烷修飾碳糊電極(APTS/CPE) 參考文獻[25]制作。考察了石墨烯液體與APTS的最佳混合比，在1.2 g石墨粉中加入0.6 mL石墨烯液體和0.3 mL APTS溶液混合均勻，最后加入0.4 mL 液體石蠟，研磨均勻后裝入聚四氟乙烯管，制得復合修飾電極(APTS-RGO/CPE)。

每次實驗前將所得到的CPE、RGO/CPE、APTS/CPE和APTS-RGO/CPE推出1～2 mm，在稱量紙上拋光待用。

1.3 實驗方法

以pH 2.0的0.04 mol/L 伯瑞坦-羅賓森(B-R)緩沖溶液作為支持電解質。以1.0×10-2mol/L FUR作為儲備液，將其稀釋至3.0×10-4mol/L加入電解池中，將三電極體系置于上述溶液中，在0.2～1.2 V范圍內分別用循環伏安法(CV)和計時電流法(CA)進行實驗，并在最佳檢測條件下，用微分脈沖伏安法(DPV)測定FUR氧化峰電流與其濃度的關系，建立電分析方法并對市售藥品進行檢測。

2 結果與討論

2.1 電極表征

圖2為CPE和APTS-RGO/CPE的掃描電鏡照片。裸碳糊電極的表面比較平滑(圖2A)，而修飾上APTS和石墨烯后(圖2B)，觀察到很多納米片層和孔洞結構，粗糙程度明顯增加，這種結構可以顯著提高FUR在電極表面的富集效率，提供更多的反應位點，從而使電活性物質具有更好的催化效果。

圖2 CPE(A)和APTS-RGO/CPE(B)表面的掃描電鏡(SEM)圖Fig.2 SEM images of CPE(A) and APTS-RGO/CPE(B)

圖3 CPE(a)、RGO/CPE(b)、APTS/CPE(c)、APTS-RGO/CPE(d)的電化學阻抗譜圖Fig.3 Electrochemical inpedance spectra for CPE(a), RGO/CPE(b), APTS/CPE(c) and APTS-RGO/CPE(d)5.0×10-3mol/L [Fe(CN6)]3-/4-+1.0 mol/L KCl

圖4 3.0×10-4 mol/L FUR在CPE(a)、RGO/CPE(b)、APTS/CPE(c)、APTS-RGO/CPE(d) 上的循環伏安曲線Fig.4 The CV curves of CPE(a), RGO/CPE(b), APTS/CPE(c) and APTS-RGO/CPE(d) in 3.0×10-4 mol/L FURscan rate:50 mV/s

圖3為電化學探針對不同電極的電化學交流阻抗譜圖。從圖中可以看出，CPE(曲線a)的高頻部分半圓弧直徑遠大于RGO/CPE(曲線b)、APTS/CPE(曲線c)和APTS-RGO/CPE(曲線d)，表明氧化還原探針在CPE上具有較大的電子轉移電阻。而RGO/CPE、APTS/CPE的電荷轉移電阻小于CPE，表明RGO和APTS能有效減小電荷傳遞電阻。APTS-RGO/CPE(曲線d)的半圓弧直徑遠小于曲線a、b和c，表明APTS-RGO/CPE的電荷轉移電阻最小，這可能是由于APTS和RGO共同作用，加快了電子在電極上的傳遞速度，從而提高了修飾電極的導電效率。

同時利用模擬等效電路，參考文獻[26]，通過電化學阻抗數據進行擬合，得到CPE、 RGO/CPE、APTS/CPE和APTS-RGO/CPE的Ret值分別為13 860、9 874、2 418、1 362 Ω。該結果與交流阻抗測試所得結果相一致：即APTS-RGO/CPE的Ret值最小，表明電子在APTS-RGO/CPE上的電荷傳遞速率最快，從而進一步說明RGO和APTS的協同作用提高了修飾電極的電荷傳遞速度及導電效率。

2.2 FUR在不同電極上的電化學行為

在電位窗口 0.2～1.2 V范圍內，用0.04 mol/L B-R緩沖溶液作為支持電解質，以掃速50 mV/s研究了3.0×10-4mol/L FUR在CPE(曲線a)、RGO/CPE(曲線b)、APTS/CPE(曲線c)和APTS-RGO/CPE(曲線d)電極上的循環伏安行為。如圖4所示，在CPE電極上，FUR的氧化峰電流為4.340 μA；在RGO/CPE修飾電極和APTS/CPE修飾電極上FUR分別出現不可逆氧化峰，峰電流均有不同程度的增大；而在APTS-RGO/CPE復合修飾電極上，氧化峰電流急劇增加到18.83 μA，相比CPE電極增大了3.4倍，氧化峰電位略有負移。進一步表明二者協同作用有利于FUR的電催化氧化效果。

2.3 實驗條件影響

在電位窗口 0.2～1.2 V范圍內，掃描速率為50 mV/s，以APTS-RGO/CPE為工作電極，分別用NaH2PO4、Na2HPO4、NaCl、Na2SO4、NaAc、CH3COOH、B-R、PBS水溶液為支持電解質對 3.0×10-4mol/L FUR進行CV測試。結果表明，FUR在B-R水溶液中的峰電流大且峰形良好，因此選擇0.04 mol/L B-R水溶液作為支持電解質。

在掃描速率為50 mV/s條件下，考察了pH 2.0～6.0范圍內的B-R對FUR 伏安行為的影響。結果顯示，在pH 2.0～5.0之間，FUR 的氧化峰電流隨pH值增大而減小，當pH值大于5時氧化峰電流消失。pH 2.0時，該電極的電催化氧化峰電流最大且峰形良好，所以最佳pH值為2.0。E隨pH值增大而降低，且與pH值成正比，其線性方程為E(mV)=1 260-70pH，r=0.995 2,斜率為 70 mV/pH；依據Ep=E-59(m/n)pH可知：m/n≈1，根據文獻n=2[17]，計算出m=2。此結果表明FUR在APTS-RGO/CPE上的電化學氧化過程為兩電子兩質子參與的傳遞過程。其可能的電化學反應機理為：

運用CV法考察了掃描速率(10～1 000 mV/s)對3.0×10-4mol/L FUR 峰電流和峰電位的影響。結果顯示，掃描速率由10 mV/s不斷增大時，FUR在APTS-RGO/CPE上的氧化峰電流Ip逐漸增大，且Ip與v1/2成正比，線性方程為Ip(μA)=2.04+1.25v1/2，r=0.996。這表明FUR在 APTS-RGO/CPE電極表面受擴散控制。氧化峰電位也隨著掃描速率的增加而增大,Ep與logv成正比，線性方程為Ep(mV)=1 039+85.30 logv(mV/s)，r=0.997。從該直線的斜率得到?Ep/?(logv)=85.30 mV。根據完全不可逆擴散控制過程方程[27]：Ep=(blogv)/2+constant，其中b為Tafel斜率，由Ep～logv作圖，可得該直線斜率為b/2，即b=2?Ep/?(logv)=170.6 mV。依據b=2.303 RT/[(n(1-α)F](T=293 K，n= 2)[17](式中α是電荷傳遞系數，F是法拉第常數96 485 C/mol)，計算出FUR在APTS-RGO/CPE上α值為0.83。同理可計算出FUR在CPE、RGO/CPE和APTS/CPE上的α值分別為0.75、0.77和0.80。

圖 5 FUR在CPE(a)、RGO/CPE(b)、 APTS/CPE(c)、 APTS-RGO/CPE(d)上的計時電流曲線Fig.5 CA curves of CPE(a),RGO/CPE(b), APTS/CPE(c) and APTS-RGO/CPE(d) in 3.0×10-4 mol/L FUR

在3.0×10-4mol/L FUR溶液中對CPE、RGO/CPE、APTS/CPE及APTS-RGO/CPE進行CA測試(見圖5)。圖5曲線a和b分別為CPE和RGO/CPE在 3.0×10-4mol/L FUR存在下的CA曲線。

根據計時電流公式[28]：IC/IL=λ1/2[π1/2erf(λ1/2)+exp(-λ)/λ1/2]，式中，IC和IL分別表示FUR在RGO/CPE和CPE上的催化電流。λ=kc0t(式中k表示電催化氧化反應速率常數，c0表示FUR初始濃度，t表示催化反應的時間)。當λ> 1.5 時，erf(λ1/2)→1,exp(-λ)/λ1/2→0，表明該催化反應受動力學控制。得出IC/IL=π1/2λ1/2=π1/2(Kc0t)1/2，由上式可計算出k，當t>2.0 ms時，k=(3.38±0.05)×104(mol/L)-1·s-1。同理可計算出FUR在APTS/CPE和APTS-RGO/CPE上的k值分別為(5.21±0.05)×104(mol/L)-1·s-1和(5.81±0.05)×105(mol/L)-1·s-1。通過比較發現，FUR在CPE、RGO/CPE、APTS/CPE以及APTS-RGO/CPE上的k值逐漸增大，并且FUR在APTS-RGO/CPE上的k值最大，進一步表明APTS-RGO/CPE對FUR的電催化氧化效果最佳，這與其在APTS-RGO/CPE上的循環伏安行為一致。

2.4 電分析方法應用

2.4.1實驗條件優化首先進行實驗條件的優化。固定電勢增量為4 mV、振幅為50 mV，脈沖寬度由10 s增加到60 s，結果發現，脈沖寬度由10 s增加到50 s時峰電流逐漸增大，50 s到60 s時峰電流幾乎保持不變，故脈沖寬度選擇50 s。固定電勢增量為4 mV、脈沖寬度50 s，將振幅由50 mV增加到80 mV，結果發現在振幅50～70 mV范圍內，峰電流隨振幅的增大逐漸增大，70 mV到80 mV時峰電流幾乎保持不變，故振幅選擇70 mV。固定振幅為70 mV、脈沖寬度50 s，電勢增量由4 mV增加到6 mV，結果發現電勢增量從4 mV增加至5 mV時峰電流達到最大，5 mV之后峰電流幾乎保持不變，故電勢增量選擇5 mV。因此本實驗條件優化為振幅70 mV，電勢增量5 mV，脈沖寬度50 s。

2.4.2線性范圍與檢出限設置電位窗口為0～ 1.2 V，在B-R(pH 2.0)緩沖溶液中采用微分脈沖伏安法(DPV)考察了FUR的氧化峰電流與其濃度的關系。結果表明，FUR在APTS-RGO/CPE上的氧化峰電流(Ip)與其濃度(c，mol/L)呈良好的線性關系，線性方程為Ip(μA)=4.472+128.3c，r=0.997，檢出限(LOD,S/N=3)為1.1×10-2mg/L。與文獻中的其他電極相比(見表1)，APTS-RGO/CPE修飾電極檢測FUR具有線性范圍寬、檢出限低的特點。

表1 不同修飾電極測定呋塞米的分析性能Table 1 Analytical performance of various electrodes for the determination of FUR

2.4.4電極的重現性與穩定性將本實驗制備的APTS-RGO/CPE對相同濃度的FUR平行測定10次，相對標準偏差(RSD)為3.5%，將電極在4 ℃冰箱中保存30 d后進行測定，氧化峰電流變化在誤差允許范圍內，表明該電極具有良好的重現性和穩定性。

2.4.5樣品測定取市售呋塞米片劑10片，混合研磨后，準確稱取適量上述藥品，加入到100 mL容量瓶中，超聲溶解定容后，用標準加入法進行平行定量測定，并計算回收率，測定結果見表2。所測得樣品FUR的RSD不大于4.4%，加標回收率為98.5%～99.7%。說明本方法的精密度好、準確度高，可用于實際樣品的定量測定。

表2 樣品測定結果 (n=6)Table 2 Determination results of the samples(n=6)

3 結 論

本文利用硅烷偶聯劑將石墨烯粘合形成了具有納米片層和孔洞結構的APTS-RGO/CPE修飾電極，增加了反應位點，增強了對FUR的催化效果，并用電化學方法對FUR進行了測定。結果表明FUR在APTS-RGO/CPE上的電化學氧化過程為兩電子兩質子的傳遞過程，電荷傳遞系數為0.83，電催化氧化反應速率常數為(5.81 ± 0.05)×105(mol/L)-1·s-1。并運用DPV法測得FUR在APTS-RGO/CPE上的氧化峰電流Ip與其濃度c在1.3～ 3.3×102mg/L范圍內呈良好的線性關系，檢出限為1.1×10-2mg/L。據此建立了FUR的電化學定量測定方法。

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Electrocatalytic Behaviors of Furosemide at APTS and Graphene Modified Carbon Paste Electrode and Its Electrochemical Determination

WU Rui1,TIAN Bi-tao2,MA Shao-ning1,CHEN Ji-wen1,GAO Zuo-ning3,4*

(1.College of Petrochemical Engineering,Yinchuan Energy Institute,Yinchuan 750100，China；2.Ningxia Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Yinchuan 750100，China；3.College of Chemistry and Chemical Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021，China；4.Baota Chemical Center Laboratory,Yinchuan 750100，China)

In this paper,the electrochemical behavior of furosemide(FUR) at 3-anminopro-pyltriethoxsilane(APTS) and graphene(RGO) modified carbon paste electrode(APTS-RGO/CPE) was studied.The experimental results indicated that compared with CPE,APTS-RGO/CPE showed a good promotion towards FUR electrochemical oxidation,and the oxidation peak current increased significantly.Cyclic voltammetry(CV) and chronoamperometry(CA) were used to determine the reaction kinetics parameters of FUR on the APTS-RGO/CPE electrode.The relationship between FUR oxidation peak current and its concentration was evaluated by differential pulse voltammetry(DPV).The oxidation peak current of FUR and its concentration has a good linear relationship in the concentration range of 1.3-330 mg/L with the limit of detection(S/N=3) of 1.1×10-2mg/L.The proposed method was successfully applied in the determination of commercial tablet samples,with their relative standard deviations of 0.4%-4.4%and recoveries of 98.5%-99.7%.The results were in accord with the requirement of quantitative detection.

furosemide；3-anminopro-pyltriethoxsilane；graphene；modified carbon paste electrode；electrochemical determination

2017-06-21；

2017-08-22

銀川能源學院科研資助項目(2015-KY-Y-01)

*

高作寧，博士，教授，研究方向：電化學與電分析化學，Tel:0951-2062066，E-mail:gaozn@nxu.edu.cn

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.11.007

O657.1

A

1004-4957(2017)11-1333-06