激光雕刻石墨烯阵列电极测定曲美他嗪

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230234

摘要/Abstract

摘要：

曲美他嗪是一种广泛使用的冠状动脉扩张药物，然而却被《世界反兴奋剂条例》列入禁用清单。本文以聚酰亚胺胶带为基底，结合图案化设计和激光雕刻技术，简便地制备出一体化的石墨烯阵列电极。研究了激光功率对石墨烯阵列电极的结构和性能的影响。当激光功率从50%增加到70%时，石墨烯阵列电极的活性面积、电子交换能力以及对曲美他嗪的信号增强效应逐渐提高；激光功率继续提高到80%，这些性能反而逐渐下降。探讨了曲美他嗪的电化学氧化机理，其氧化过程涉及2个电子和2个质子的转移。基于激光诱导石墨烯阵列电极显著的信号增强效应，建立一种灵敏简便的曲美他嗪电化学测定新方法，线性范围为0.5~20 μmol/L，检出限为0.15 μmol/L。将该方法用于健康志愿者尿液样品分析，加标回收率在96.0%~106.2%之间。

关键词: 激光诱导石墨烯, 阵列电极, 曲美他嗪, 电化学检测

Abstract:

Trimetazidine is a widely available coronary artery dilating drug. However， it is listed as prohibited by the World Anti-Doping Code. Herein， the polyimide tape is used as the substrate， and integrated graphene array electrodes are easily prepared by combining patterning design and laser engraving techniques. The effect of laser power on the structure and performance of graphene array electrodes is investigated. When the laser power is increased from 50% to 70%， the electrochemically active area， the electron exchange capacity， and the signal enhancement effect of the graphene arrays to trimetazidine gradually increase. However， these properties decrease as the power continues to increase to 80%. The electrochemical oxidation mechanism of trimetazidine is investigated， which involves the transfer of two electrons and two protons. Based on the laser-induced signal enhancement of graphene arrays， a sensitive and simple electrochemical method for the determination of trimetazidine is developed with the linear range of 0.5~20 μmol/L and the detection limit of 0.15 μmol/L. This method is successfully applied to the analysis of urine samples from healthy volunteers， and the recoveries of the spiked samples are in the range of 96.0% to 106.2%.

Key words: Three-electrode integrated array, Laser-induced graphene, Trimetazidine, Electrochemical detection

中图分类号:

O655

刘凌波, 李双, 吴康兵. 激光雕刻石墨烯阵列电极测定曲美他嗪[J]. 应用化学, 2024, 41(1): 147-155.

Ling-Bo LIU, Shuang LI, Kang-Bing WU. Laser-Induced Graphene-Based Integrated Arrays for the Determination of Trimetazidine[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(1): 147-155.

图/表 9

图1 （A）一体化阵列的设计图像；（B）激光雕刻过程；（C）激光雕刻后的一体化阵列；（D）一体化阵列的电阻测量；（E）封装并涂覆了Ag/AgCl浆的一体化阵列电极；（F）一体化阵列与电化学工作站之间的连接方式

Fig.1 （A） Design image of the integrated arrays；（B） Process of laser engraving；（C） Integrated arrays after laser engraving；（D） Resistance measurement of integrated arrays；（E） Integrated arrays after encapsulation and coating with Ag/AgCl slurry；（F） Connection between the integrated array and the electrochemical workstation

图2 PI、LIG-50、LIG-60、LIG-70和LIG-80的拉曼光谱

Fig.2 Raman spectra of PI， LIG-50， LIG-60， LIG-70 and LIG-80

图3 （A、E） LIG-50 阵列、（B、F） LIG-60 阵列、（C、G） LIG-70 阵列和（D、H） LIG-80阵列的俯视SEM图像

Fig.3 Top-view SEM images of （A， E） LIG-50 array，（B， F） LIG-60 array，（C， G） LIG-70 array and （D， H） LIG-80 array

图4 （A） LIG-50 阵列、（B） LIG-60 阵列、（C） LIG-70 阵列和（D） LIG-80 阵列的横截面SEM图像

Fig.4 Sectional-view SEM images of （A） LIG-50 array，（B） LIG-60 array，（C） LIG-70 array and （D） LIG-80 array

图5 不同扫速下5 mmol/L K3［Fe（CN）6］在LIG-50阵列（A）、LIG-60阵列（B）、LIG-70阵列（C）和LIG-80阵列（D）上的CV曲线；（E）不同阵列电极上的Ipa-v1/2曲线；（F）阵列电极的电阻随激光功率的变化（误差棒为3次测量结果的标准偏差）

Fig.5 CV curves of 5 mmol/L K3［Fe（CN）6］ on （A） LIG-50 array，（B） LIG-60 array，（C） LIG-70 array and （D） LIG-80 array at different scan rates；（E） The plots of Ipa-v1/2 on different arrays；（F） Resistance changes of different arrays with laser power （error bars represent the standard deviation of three measurements）

图6 （A） 0.5 mmol/L曲美他嗪在不同阵列电极上的Nyquist图，偏压： 0.55 V，频率范围： 0.03~10000 Hz，内插图为Randles等效电路，其中Rs、CPE、Rct和Zw分别代表溶液电阻、常相位角元件、电荷转移电阻和Warburg阻抗。（B） 10 μmol/L曲美他嗪在不同阵列电极上的LSV曲线（a） LIG-50 array，（b） LIG-60 array，（c） LIG-70 array and （d） LIG-80 array

Fig.6 （A） Nyquist plots of 0.5 mmol/L TMZ on different arrays； Bias voltage： 0.55 V， Frequency range： 0.03~10000 Hz； Inset： the Randles equivalent circuit （Rs， CPE， Rct and Zw represent the solution resistance， constant phase angle element， charge transfer resistance and Warburg impedance）. （B） LSV curves of 10 μmol/L TMZ on different arrays

图7 （A）不同扫速下20 μmol/L曲美他嗪在LIG-70阵列上的CV曲线，内插图为Ipa-v曲线；（B） Epa-ln v曲线；（C） 20 μmol/L曲美他嗪在不同pH值磷酸盐缓冲溶液中的CV曲线，扫速为100 mV/s；（D） Epa-pH曲线

Fig.7 （A） CV curves of 20 μmol/L TMZ on LIG-70 array at different scan rates， inset： Ipa-v plot；（B） Plot of Epa-ln v；（C） CV curves of 20 μmol/L TMZ in phosphate buffer with different pH values on LIG-70 array at a scan rate of 100 mV/s；（D） Plot of Epa-pH

图8 （A） pH值、（B）初始电位和（C）富集时间对5 μmol/L曲美他嗪氧化峰电流的影响；（D）不同浓度的曲美他嗪在LIG-70阵列电极上的LSV曲线；（E）曲美他嗪的标准曲线；（F）曲美他嗪及与干扰物共存时的响应信号。误差棒均为3次测试结果的标准偏差

Fig.8 Effects of （A） pH values，（B） initial potential and （C） accumulation time on the oxidation peak current of 5 μmol/L TMZ；（D） LSV curves of TMZ with different concentrations on LIG-70 array；（E） The calibration curve of TMZ；（F） Response siganls of 5 μmol/L TMZ in the absence and in the presence of interfertants. The error bars represent the standard deviations of three measurements

表1 尿液中曲美他嗪的测定（n=3）

Table 1 Determination of TMZ in urine samples from volunteers （n=3）

Sample	Added/（μmol·L^－1）	Total found/（μmol·L^－1）（mean±SD）	RSD/%	Recovery/%
1	1.00	1.01±0.04	3.95	101.0
	5.00	5.16±0.06	1.20	103.2
	20.00	20.25±0.74	3.66	101.3
2	1.00	0.96±0.03	2.89	96.0
	5.00	4.81±0.04	0.79	96.3
	20.00	20.63±0.42	2.04	103.2
3	1.00	0.96±0.02	2.17	96.0
	5.00	4.85±0.06	1.28	97.1
	20.00	21.24±0.45	2.12	106.2

参考文献 23

1	王艳芝，付存玉. 心通颗粒联合盐酸曲美他嗪片治疗冠心病心绞痛的临床效果［J］. 临床合理用药， 2023， 16（11）： 4-7.
	WANG Y Z， FU C Y. Clinical effect of Xintong granules combined with trimetazidine hydrochloride tablets in the treatment of coronary angina pectoris［J］. Chin J Clin Rational Drug Use， 2023， 16（11）： 4-7.
2	于长禹，屈春红. 曲美他嗪在缺血性心肌病心力衰竭治疗中的作用［J］. 中国实用医药， 2023， 18（6）： 91-93.
	YU C Y， QU C H. The role of trimetazidine in the treatment of heart failure in ischemic cardiomyopathy［J］. China Prac Med， 2023， 18（6）： 91-93.
3	OKANO M， MIYAMOTO A， OTA M， et al. Doping control analysis of trimetazidine in dried blood spot［J］. Drug Test Anal， 2022： 1-11.
4	王雪莹. 兴奋剂与竞技体育，永不终止的猫鼠游戏［N］. 北京科技报， 2022-02-21（014）.
	WANG X Y. Doping and athletics， the never-ending cat-and-mouse game［N］. Beijing Science and Technology News， 2022-02-21（014）.
5	LI C， HAN D， WU Z， et al. Polydopamine-based molecularly imprinted electrochemical sensor for the highly selective determination of ecstasy components［J］. Analyst， 2022， 147（14）： 3291-3297.
6	WU Z X， GUO F， HUANG L， et al. Electrochemical nonenzymatic sensor based on cetyltrimethylammonium bromide and chitosan functionalized carbon nanotube modified glassy carbon electrode for the determination of hydroxymethanesulfinate in the presence of sulfite in foods［J］. Food Chem， 2018， 259： 213-218.
7	GHONEIM M M， KHASHABA P Y， BELTAGI A M. Determination of trimetazidine HCl by adsorptive stripping square-wave voltammetry at a glassy carbon electrode［J］. J Pharm Biomed Anal， 2002， 27（1）： 235-241.
8	LIN J， PENG Z W， LIU Y Y， et al. Laser-induced porous graphene films from commercial polymers［J］. Nat Commun， 2014， 5： 5714.
9	ZHU J， HUANG X， SONG W. Physical and chemical sensors on the basis of laser-induced graphene： mechanisms， applications， and perspectives［J］. ACS Nano， 2021， 15（12）： 18708-18741.
10	VIVALDI F M， DALLINGER A， BONINI A， et al. Three-dimensional （3D） laser-induced graphene： structure， properties， and application to chemical sensing［J］. ACS Appl Mater Interfaces， 2021， 13（26）： 30245-30260.
11	MA W， ZHU J， WANG Z， et al. Recent advances in preparation and application of laser-induced graphene in energy storage devices［J］. Mater Today Energy， 2020， 18： 100569.
12	YE R， HAN X， KOSYNKIN D V， et al. Laser-induced conversion of teflon into fluorinated nanodiamonds or fluorinated graphene［J］. ACS Nano， 2018， 12（2）： 1083-1088.
13	GE L， HONG Q， LI H， et al. Direct-laser-writing of metal sulfide-graphene nanocomposite photoelectrode toward sensitive photoelectrochemical sensing［J］. Adv Funct Mater， 2019， 29： 1904000.
14	TRUSOVAS R， RATAUTAS K， RACIUKAITIS G， et al. Graphene layer formation in pinewood by nanosecond and picosecond laser irradiation［J］. Appl Surf Sci， 2019， 471： 154-161.
15	ZHANG W， LEI Y， MING F， et al. Lignin laser lithography： a direct-write method for fabricating 3D graphene electrodes for microsupercapacitors［J］. Adv Energy Mater， 2018， 8： 1801840.
16	CHYAN Y， YE R， LI Y， et al. Laser-induced graphene by multiple lasing： toward electronics on cloth， paper， and food［J］. ACS Nano， 2018， 12（3）： 2176-2183.
17	WEI P， SHEN J， WU K， et al. Tuning electrochemical behaviors of N-methyl-2-pyrrolidone liquid exfoliated graphene nanosheets by centrifugal speed-based grading［J］. Carbon， 2018， 129： 183-190.
18	XIE L， WANG H， JIN C， et al. Graphene nanoribbons from unzipped carbon nanotubes： atomic structures， raman spectroscopy， and electrical properties［J］. J Am Chem Soc， 2011， 133（27）： 10394-10397.
19	FERRARI A C， RODIL S E， ROBERTSON J. Interpretation of infrared and Raman spectra of amorphous carbon nitrides［J］. Phys Rev B， 2003， 67（15）： 155306.
20	SAMOUCO A， MARQUES A C， PIMENTEL A， et al. Laser-induced electrodes towards low-cost flexible UV ZnO sensors［J］. Flexible Printed Electron， 2018， 3（4）： 044002.
21	RANDLES J E B. A cathode ray polarograph［J］. Trans Faraday Soc， 1948， 44： 322-327.
22	EL GUERRAF A， BAKIRHAN N K， BEN JADI S， et al. PEDOT for sensitive electrochemical detection of trimetazidine hydrochloride in biological fluids： synthesis， characterization and mechanism insights［J］. J Electrochem Soc， 2020， 167（16）： 167525.
23	XING Y， YAN X， ZHU Y， et al. Shape-optimized nanosized MOF-74T and CdS composite by transformation strategy for ultrasensitive detection of metabolic modulators trimetazidine［J］. Electrochim Acta， 2023， 461： 142652.

[1]	姚春莹, 朱晓艳, 刘艳玲. 三维葡萄糖电化学传感器与胶原水凝胶集成实时监测细胞代谢[J]. 应用化学, 2024, 41(1): 156-163.
[2]	牛青芳, 艾欣, 王奕璇, 贺方玖, 罗彼, 梁文婷, 董川. 三维还原氧化石墨烯/β-环糊精复合物的合成及其电化学检测水中左氧氟沙星[J]. 应用化学, 2022, 39(7): 1129-1137.
[3]	安玲玲, 路毛凤, 邓玲玲, 杜江燕. 8-羟基脱氧鸟苷在壳聚糖/石墨烯修饰电极上的电化学及DNA氧化损伤检测[J]. 应用化学, 2014, 31(02): 200-205.
[4]	赵路, 杜江燕. 氯霉素分子印迹复合膜的制备及电化学[J]. 应用化学, 2012, 29(10): 1212-1217.
[5]	赵永昕, 李莉, 王坤, 陆天虹, 杨小弟, 李卉卉. 石墨烯-壳聚糖修饰玻碳电极应用于环境水中五氯酚的测定[J]. 应用化学, 2012, 29(10): 1206-1211.
[6]	张丽君, 陆天虹, 李时银, 杜江燕. 氯霉素分子印迹聚合膜电极的制备及氯霉素检测[J]. 应用化学, 2011, 28(03): 338-342.
[7]	郑妍鹏, 宋晓虹, 赖瑢, 黄宝美, 莫金垣. 胶束电动毛细管色谱法拆分肾上腺素对映体[J]. 应用化学, 2004, 21(1): 16-19.
[8]	方程, 周性尧, 吴秉亮. 一种以Nafion膜作为电泳支撑物的电泳技术[J]. 应用化学, 2003, 20(10): 997-999.
[9]	楚清脆, 丁祥欢, 曹玉华, 叶建农. 毛细管电泳电化学法监测甘露糖生产工艺[J]. 应用化学, 2002, 19(7): 629-632.