对乙酰氨基酚在碳纳米管-铜钴合金修饰电极上的准可逆响应及其分析应用

石恩永， 崔文林， 佘 雨， 刘传银*

(湖北文理学院化学工程学院，湖北襄阳 441053)

对乙酰氨基酚(Acetaminophen，AP)俗称扑热息痛，为乙酰苯胺类药物，具有解热、镇痛的功效，在临床上用于缓解轻度至中度疼痛，如感冒引起的发热、头痛、关节痛、神经痛以及偏头痛、痛经等，但长期服用该药可能会引起肝肾损伤[1]。对乙酰氨基酚的常见检测方法有滴定法[2]、分光光度法[3]、荧光法[4]、高效液相色谱法[5]、毛细管电泳法[6]及电化学方法[7 - 8]。电化学方法具有简单、快速的优点，而利用修饰电极进行对乙酰氨基酚的检测已有报道，如在单壁碳纳米管/聚甘氨酸复合膜[9]、金-钯纳米粒子/石墨烯修饰电极[10]、石墨烯-离子液体修饰电极[11]上对对乙酰氨基酚的电化学测定。但尚未见到采用Cu-Co合金纳米粒子-碳纳米管对对乙酰氨基酚检测的报道。

本文采用在碳纳米管(CNTs)上电沉积Cu-Co合金纳米粒子，由于这两者具有导电性好、比表面积大、可催化某些分子的电化学过程，所以实现了对对乙酰氨基酚良好的电化学催化作用，从而实现了对乙酰氨基酚的电化学测定。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

所有电化学实验均在CHI-660E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)上完成，采用三电极体系；裸玻碳电极(GCE)及修饰电极为工作电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，Pt丝为对电极。KQ-3200超声波清洗机(昆山市超声仪器有限公司)；pHS-3C酸度计(上海雷磁仪器厂)。

对乙酰氨基酚(AP)对照品(中国药品检定所)；冰HAc、NaH2PO4和Na2HPO4、K3[Fe(CN)6]及其他试剂均为分析纯，购自国药集团上海化学试剂有限公司。碳纳米管(CNTs)购自华中师范大学纳米研究院，使用前经酸化回流处理，并用0.5%壳聚糖溶液超声至完全溶解(1 mg/mL)。实验用水均为超纯水(18.25 MΩ·cm)。

1.2 修饰电极的制备

裸GCE依次经0.1、0.05 μm的Al2O3悬糊抛光至镜面，依次用乙醇和超纯水清洗后干燥，在电极表面滴涂10 μL 1 mg/mL CNTs悬浊液，红外线烤干即为CNTs/GCE。将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范围内循环伏安扫描一定圈数，即得Cu-Co合金沉积的碳纳米管修饰电极Cu-Co-CNTs/GCE。

1.3 电化学表征和测定

实验采用三电极体系进行循环伏安、交流阻抗及微分脉冲伏安测定。其中交流阻抗的参数为：电位0.24 V，频率范围0.01～105Hz；微分脉冲伏安参数为：脉冲50 ms，电位范围0～0.7 V。

2 结果与讨论

2.1 电极的表征

以GCE及修饰GCE为工作电极，将三电极体系插入含有1 mmol/L [Fe(CN)6]3-的KCl溶液中进行循环伏安和交流阻抗研究。从循环伏安图可以看出，裸电极的峰电位差为70 mV，氧化还原峰电流对称；CNTs/GCE上的峰电位差为86 mV，而在Cu-Co-CNTs/GCE上，峰电位差为90 mV，峰电流较CNTs/GCE进一步增大，表明电沉积上的Cu-Co合金应该为粒度较小的纳米粒子，进一步增大了电极的表面积，而且合金粒子的导电性较强，所以促进了K2[Fe(CN)6]在电极上的氧化还原作用。而从交流阻抗图可以看出，裸电极在低频区呈现一个小的半圆，高频区呈现一条45°的直线，表明电极表面没有物质阻碍电荷传递；然而在CNTs/GCE和Cu-Co-CNTs/GCE上，低频区的半圆减小，然而高频区的直线的斜率更大，表明电极的导电性较强，从而验证了电沉积的Cu-Co合金纳米粒子。

图1 对乙酰氨基酚在GCE(a)、CNTs/GCE(b)、Cu-Co-CNTs/GCE(c)上的循环伏安(CV)图Fig.1 CVs of acetaminophen at GCE(a),CNTs/GCE(b) and Cu-Co-CNTs/GCE(c)

2.2 对乙酰氨基酚在不同电极上的响应

探究了对乙酰氨基酚在不同电极上的电化学响应。如图1所示，在裸电极上，对乙酰氨基酚的氧化峰电位为0.54 V，峰电流很小，还原峰很宽，呈现出不可逆的氧化还原特征。然而在CNTs/GCE上，其氧化峰电位降低到0.52 V，还原峰电位增大到0.43 V，氧化还原峰电流较不对称。在Cu-Co-CNTs/GCE上，氧化峰电位降低到0.495 V，还原峰电位增大到0.450 V，峰电位差降低到45 mV，而且氧化峰电流相比于CNTs/GCE增大了4倍，很明显这个氧化还原的增强是源于Cu-Co合金纳米粒子的修饰对对乙酰氨基酚的催化作用。

图2 不同缓冲溶液(A)及pH值(B)对对乙酰氨基酚电化学响应的影响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值的影响

探究了不同的底液条件对对乙酰氨基酚的电化学响应的影响。图2A是不同缓冲体系中对乙酰氨基酚的响应情况，从中可以看出，在HAc缓冲溶液中，对乙酰氨基酚的响应较好，但是响应电位较高，氧化峰电位达到了0.63 V；在磷酸盐缓冲溶液(PBS)中，对乙酰氨基酚的对称性最好，但峰电流较HAc缓冲溶液低一些；在硼砂缓冲体系中，对应的峰电位差比PBS体系中增大，而峰电流更小。鉴于对乙酰氨基酚是一种药物，为了便于探究其在体液和代谢物中的含量测定，本文选择PBS为底液进行后续研究。

在0.1 mol/L PBS中，探究pH对对乙酰氨基酚的电化学氧化还原的影响，结果如图2B所示。随着pH值的增大，氧化还原峰电位不断负移，电流也有明显的变化。当pH=7.0时，其峰电流最大，所以选择pH=7.0作为后续研究。实验还发现，随着pH的变化，峰电位与pH呈现良好的线性关系，其回归方程为：Epa=0.7737-0.0395pH(r=0.9965),Epc=0.7491-0.0437pH(r=0.9894)。由峰电位对pH关系可以看出，两者的斜率都与0.059 mV/pH较为接近，表明在电化学反应过程中有质子参与反应，且其参与反应的质子数和电子数相等[12]。即对乙酰氨基酚在电极上发生等质子等电子的氧化还原过程。

2.4 不同电沉积圈数对电化学响应的影响

图3是电沉积不同圈数的对乙酰氨基酚的CV曲线。由图可见，当圈数小于15圈时，对乙酰氨基酚的氧化还原峰电流较小，并随着圈数增多而增大，表明Cu-Co合金纳米粒子的数量不断增多，进而促进了对乙酰氨基酚的电氧化；当圈数大于15圈后，电流反而下降了，表明电沉积圈数增多后，继续沉积的合金粒子将继续在原位上沉积，进而增大了粒子的粒度，从而降低了其催化作用。根据电化学响应，在后续的电沉积实验中均采用在-1.5～0.4 V之间电沉积15圈。

2.5 不同扫速的影响

在pH=7.0的PBS中，研究了扫描速度对对乙酰氨基酚的电化学响应的影响,结果如图4所示。从图中可以看出，随着扫速的增加，氧化还原峰电流不断增大，同时氧化还原峰电位差稍微增大。氧化还原峰电流与扫速的平方根及峰电流对扫速的关系如下：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);比较两者的关系，峰电流与扫速具有明显的线性关系。所以表明对乙酰氨基酚在该电极上的电化学响应在该速率范围内主要受吸附控制。

研究了峰电位与扫速对数之间的关系，结果表明，在扫速小于100 mV/s时，峰电位差基本不变，当扫速大于150 mV/s时，峰电位与扫速的对数之间存在明显的线性关系：Epa(V)=0.5371+0.0135lnv(r=0.9890),Epc(V)=0.4527-0.0064lnv(r=0.9234)。由Laviron方程[13]，根据线性关系的斜率和截距，可以计算出：nα=0.39,n(1-α)=0.45,ks=1.73 s-1。假定α=0.2～0.8，则n=2，表明对乙酰氨基酚在该电极上发生的是两电子的氧化还原反应；据准稳态方程，当nΔEp≥200 mV及本体系计算出来的电子转移速率常数的数值，可以判断出对对乙酰氨基酚在该电极上的响应为准可逆响应[14]。

图3 不同扫描圈数对1.0×10-4 mol/L对乙酰氨基酚的电化学响应影响Fig.3 Effect of various scans of electrodeposition on the electrochemical response of acetaminophena to d stand for 5,10,15 and 20 cycles.

图4 1.0×10-4 mol/L对乙酰氨基酚在不同扫速下的循环伏安(CV)图Fig.4 CVs of 1.0×10-4 mol/L acetaminophen at different scan rates

2.6 稳定性和重现性

在优化条件下，考察了Cu-Co-CNTs/GCE修饰电极的重现性和稳定性。对1.0×10-4mol/L的对乙酰氨基酚溶液连续测定15次，测得相对标准偏差(RSD)为1.13%。同时制备了6支修饰电极，分别测定1.0×10-4mol/L的对乙酰氨基酚的溶液，其测定值的RSD为4.5%。表明具有良好的重现性和稳定性。

图5 不同浓度对乙酰氨基酚的微分脉冲伏安(DPV)图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 线性范围及检出限

为消除临近的氧化还原峰的影响，采用微分脉冲伏安法(DPV)对对乙酰氨基酚进行定量。图5是不同浓度对乙酰氨基酚的DPV曲线及其线性关系曲线。由图可知，其氧化峰电流与浓度在0.5～115.0 μmol/L范围内呈现良好的线性关系，回归方程为:Ip(μA)=2.511+0.346c(μmol/L),r=0.9935。根据检出限的定义，计算出该方法对对乙酰氨基酚的检出限为0.1 μmol/L。

2.8 干扰分析

2.9 实际样品及模拟样品测定

为验证该方法的实用性，采用对乙酰氨基酚对照品分别用纯水稀释、健康人尿液稀释和健康人血清稀释的方法配制了模拟样品；取一定量感冒灵胶囊(三九集团)采用纯水溶解稀释后制成实际样品，利用该方法和标准方法对模拟和实际样品进行了测定，并用数理统计的方法进行分析。结果表明，该方法测定样品结果与国家药典方法[15]测定结果相符，回收率在95.1%～103.2%之间，表明该方法没有系统误差，可以作为对乙酰氨基酚的测定方法。表1是对模拟样品和实际感冒药中对乙酰氨基酚的含量分析结果。另从表中可以看出，该方法在血清中的测定值基本上不受共存的基质的影响，然而在尿液中存在一定影响，使测定结果偏低，但回收率依然在可允许范围之内。

表1 模拟样品与实际样品的测定结果

3 结论

采用碳纳米管电沉积Cu-Co合金修饰电极实现了对乙酰氨基酚的准确测定，建立了测定对乙酰氨基酚的新检测方法。研究了对乙酰氨基酚在该电极上的电化学行为。结果表明，对乙酰氨基酚在该电极上呈现出准可逆的电化学响应，峰电位差仅为45 mV，其电子转移速率常数为1.73 s-1。利用该电极进行了模拟和实际样品中对乙酰氨基酚的测定，结果与国家标准方法相符，回收率在95.1%～103.2%之间。