引用本文
司晓晶, 朱文菁, 李香, 李丽, 陈子超, 丁亚萍. 聚对氨基苯磺酸/石墨烯电化学修饰电极检测药物中氧氟沙星[J]. 应用化学, 37(6): 726-732
SI Xiaojing, ZHU Wenjing, LI Xiang, et al. Determination of Ofloxacin in Medicine via Poly( p-aminobenzene sulfonic acid)/Graphene Electrochemical Modified Electrode [J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 37(6): 726-732  
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聚对氨基苯磺酸/石墨烯电化学修饰电极检测药物中氧氟沙星
司晓晶a, 朱文菁a, 李香a, 李丽c, 陈子超b,*, 丁亚萍c,*
a上海商学院食品系 上海 200235
b山东中医药大学实验中心 济南 250355
c上海大学化学系 上海 200444
通讯联系人:陈子超,副教授; Tel:0531-89628517; E-mail:chenzichao11@126.com; 研究方向:分析化学;
共同通讯联系人:丁亚萍,教授; Tel:021-66134734; E-mail:wdingyp@sina.com; 研究方向:纳米分析化学
收稿日期:2019-12-12 修回日期:2020-02-28 接受日期:2020-03-26
基金:国家自然科学基金(21671132)、山东省重点研发计划(2019GSF108253)、上海市属高校应用型本科试点专业建设项目(第六批)资助;
摘要

基于石墨烯纳米材料和循环伏安法技术制备了聚对氨基苯磺酸/石墨烯修饰电极并研究了氧氟沙星(OFL)在该修饰电极上的电化学行为,建立了一种简单快速灵敏测定氧氟沙星的电化学分析方法。 结果表明,与玻碳电极相比,对氨基苯磺酸/石墨烯电化学修饰电极能显著提高氧氟沙星的峰电流。 在优化条件下,其检测线性范围为1~600 μmol/L,最低检测限为( S/N=3)0.33μmol/L。 该修饰电极具有较好的重现性和稳定性,用于实际样品氧氟沙星滴眼液的测定,效果良好。

关键词: 石墨烯; 对氨基苯磺酸; 修饰电极; 氧氟沙星
中图分类号:O657 文献标志码:A 文章编号:1000-0518(2020)06-0726-07
Determination of Ofloxacin in Medicine via Poly( p-aminobenzene sulfonic acid)/Graphene Electrochemical Modified Electrode
SI Xiaojinga, ZHU Wenjinga, LI Xianga, LI Lic, CHEN Zichaob, DING Yapingc
aDepartment of Food Science,Shanghai Business School,Shanghai 200235,China
bExperimental Center,Shandong University of Traditional Chinese Medicine,Jinan 250355,China
cDepartment of Chemistry,Shanghai University,Shanghai 200444,China
Corresponding author:CHEN Zichao; associate professor; Tel:0531-89628517; E-mail:chenzichao11@126.com; Research interests:analytical chemistry;
Co-corresponding author:DING Yaping, professor; Tel:021-66134734; E-mail:wdingyp@sina.com; Research interests:nanoanalytical chemistry
Received:2019-12-12 Revised:2020-02-28 Accepted:2020-03-26
Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.21671132), the Shandong Provincial Key Research and Development Program(No.2019GSF108253), and the Undergraduate Specialty Construction Project of Shanghai Municipal Universities(Sixth batch);
Abstract

A simple, rapid and sensitive electrochemical analysis method with a poly( p-aminobenzene sulfonic acid)/graphene modified glassy carbon electrode (pABSA/GR/GCE) for the determination of ofloxacin (OFL) is established based on GR nanomaterials and cyclic voltammetry (CV) in this study. Compared with the glassy carbon electrode, the peak current of OFL increases significantly using pABSA/GR/GCE. Under optimized experimental conditions, the pABSA/GR/GCE shows a good linear relationship with the concentration of OFL in the range of 1~600 μmol/L and a detection limit ( S/N=3) of 0.33 μmol/L. The pABSA/GR/GCE is easy to be prepared with good reproducibility and stability. It has been used in the determination of ofloxacin eye drops with satisfactory results.

Keyword: graphene; p-aminobenzene sulfonic acid; modified electrode; ofloxacin

喹诺酮类药物是广泛使用的合成抗菌药,主要通过作用于细菌DNA螺旋酶的A亚单位,抑制DNA的合成和复制,导致细菌死亡,具有广谱高效的抗菌作用。 氧氟沙星(Ofloxacin,OFL)又名氟嗪酸,是第3代喹诺酮类的药物,常被用于治疗呼吸道、泌尿道、肠道、皮肤、关节及软组织等感染疾病及被兽医作为促生长剂用在动物的治疗中,其在动物中的残留会对人体,特别是对生长中的孩子、孕妇及乳母造成耐药性和过敏性等毒害作用[1]。 因此,2015年中华人民共和国农业部公告第2292号规定禁止OFL用于食品动物,在动物性食品中不得检出。 而且,长期大剂量的服用可导致结晶尿,引起肝、肾功能减退和血药浓度增高等[2,3]。 所以,对药物中OFL含量进行测定有着非常重要的意义。

当前分析检测OFL的方法主要有分光光度法[4]、荧光法[5]、高效液相色谱法[6]、毛细管电泳法[7] 以及电化学分析法[8,9]等。 在这些方法中,电化学分析法由于其成本低、响应快、灵敏度高、设备简单和易于微型化等优点被科学研究者广泛应用。 其中,聚合物修饰电极由于其均一稳定且有更多活性位点等优势吸引了研究者的注意,电聚合是制备聚合物修饰电极的常用方法之一[10]。

图1 pABSA的形成机理Fig.1 Mechanism for the formation of pABSA

对氨基苯磺酸( p-Aminobenzene Sulfonic Acid,ABSA)以其性能稳定、成膜性好、导电性好、催化效率高而作为近年来备受关注的导电聚合物并制备修饰电极(pABSA形成的机理[11]如图1所示),已用于多巴胺[12,13]、抗坏血酸[14]、尿酸[15]、盐酸吡哆辛[16]和阿昔洛韦[17]等的分析研究,取得了较好的效果,然而对OFL的分析检测却罕见报道。 因此,本文将ABSA和石墨烯(grapheme,GR)纳米材料复合修饰玻碳电极(Glassy Carbon Electrode,GCE),进行了OFL在该修饰电极上的电化学行为和电极反应原理的研究,建立了一种新的测定氧氟沙星的电化学方法,并且用于OFL滴眼液的测定,结果令人满意。

1 实验部分
1.1 仪器和试剂

CHI 660D型电化学工作站(上海辰华仪器公司),三电极体系:玻碳电极、铂电极和饱和甘汞电极、Solartron 1287电化学接口及Solartron 1255B 阻抗/晶相分析仪体系(Scribner Associates, Inc.),AVATAR 370 FTIR型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR,美国尼高力公司)。

石墨烯(单层,南京先丰纳米材料科技有限公司)、OFL(武汉远成共创技术有限公司)、氧氟沙星滴眼液(上海信谊金朱药业有限公司)、对氨基苯磺酸(ABSA)及其他试剂均为分析纯,均购自国药集团化学试剂有限公司。 实验用水为二次蒸馏水(Double-distilled Water,DDW,自制),支持电解质为0.1 mol/L磷酸缓冲溶液(Phosphate Buffer Solution,PBS),实验均在室温下进行。

1.2 修饰电极的制备

玻碳电极的处理 在修饰电极之前,首先将GCE (Ø 3 mm)用0.5 μm的Al2O3在麂皮上抛光至镜面,然后依次在稀HNO3、CH3CH2OH和二次蒸馏水中(DDW)进行超声清洗干净,0.5 mol/L H2SO4活化后晾干待用。

pASBA/GR/GCE的制备 在含有1 mg/mL GR的0.1 mol/L KCl溶液中,利用循环伏安法(Cyclic Voltammetry,CV)法在电势窗口-1.0~1.5 V下将GR电聚合修饰到GCE上,然后,将该电极置于含有0.02 mol/L的ABSA溶液中使用CV法在电势-1.5~2.5 V之间电聚合修饰,即得到pABSA/GR/GCE。 最后,将修饰好的电极用DDW小心清洗,以便进一步使用。

2 结果与讨论
2.1 修饰电极的表征

在本文采用用FTIR考察了ABSA在电聚合前后的情况(图2)。 从图2中可以看到,聚合前(图2曲线a)ABSA 中苯环的精细结构和—SO3H有显著峰。 在2500 ~ 3500 cm-1范围内的吸收谱带是由于苯环C—H和N—H键的伸缩振动引起的,500~1250 cm-1范围内的吸收谱带是芳氢面外面内弯曲振动,但在电聚合后谱图(图2曲线b),由于两个ASBA的—NH2聚合形成了N=N键且聚合物性质稳定导致伸缩、弯曲振动减弱,这与文献[11,18]报道一致。 这些结果也证明了ABSA成功地被聚合在GCE上,氧化成了pABSA。

图2 ABSA(a)和pABSA(b)的FTIR谱图Fig.2 FTIR spectra of powder ABSA(a) and pABSA(b)

图3 GCE(a)、GR/GCE(b)、ABSA/GCE(c)和pABSA/GR/GCE(d)的电化学阻抗谱图Fig.3 EIS of bare GCE(a), GR/GCE(b), pABSA/GCE(c)and pABSA/GR/GCE(d)
solution: c(K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6])=5 mmol/L

为了探究修饰过程中电极表面的电化学性质变化,对各电极在含5.0 mmol/L K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 (物质的量比为1:1)的0.1 mo/L KCl溶液中,进行了电化学阻抗表征(图3)。 相比于裸GCE(图3谱线a),GR可以大大提高对OFL的电催化活性,所以GR/GCE(图3谱线b)的阻抗有略微下降,而pABSA/GCE(图3谱线c)、pABSA/GR/GCE(图3谱线d)的阻抗明显增大,这表明ABSA成功地复合到GR上,因为ABSA的磺酸基的位阻效应使ABSA的导电能力下降,这阻碍了有限的电子转移。

2.2 OFL在pABSA/GR/GCE 修饰电极上的电化学响应

图4A为裸GCE、GR/GCE、ABSA/GCE和pABSA/GR/GCE在含有20 μmo/L OFL的PBS溶液中的差分脉冲伏安(Differential Pulse Voltammetry,DPV)曲线图。 从图4A中可明显看出,裸GCE对OFL有一定的响应,峰电流大小( Ip)为0.61 μA,当ABSB和GR分别修饰到GCE上时,响应均明显增强, Ip分别为1.88和2.57 μA,但OFL在pABSA/GR/GCE修饰电极上的 Ip达到了4.02 μA,是裸GCE的氧化电流的6.6倍,具有累加的效果,表明pABSA/GR/GCE对OFL有较好的电化学响应。

图4 GCE、GR/GCE、pABSA/GCE和pABSA/GR/GCE的DPV曲线(A);pABSA/GR/GCE上不同扫速的CV曲线(B)及 Ip与 v间的线性关系图(C)Fig.4 (A)DPV curves of bare GCE, GR/GCE, ABSA/GCE and pABSA/GR/GCE; (B)CVs of the pABSA/GR/GCE at different scan rates; (C)The linear dependence of peak current with the scan rate
Solutions: c(PBS)=0.1 mol/L, c(OFL)=20 μmol/L; A.pH=6.5, v=0.1 V/s; B. pH=6.5, v=0.02,0.04,0.06,0.08, 0.12, 0.16, 0.20, 0.24, 0.28, 0.32, 0.36 V/s

用CV法考察了在pABSA/GR/GCE上扫速对OFL的影响(图4B)。 随着扫速增加,OFL的CV曲线也呈现规律性的变化且其氧化峰电势( Ep)正向移动,这说明二者的电化学氧化反应是不可逆的。 经过测量和计算,扫速 v与OFL的 Ip、在0.02~0.36 V/s的扫速范围内成线性关系(图4C)。 即 Ip/μA=105.74 v(mV/s)+0.5141( R=0.996),这表明该电极受吸附控制[19]。

2.3 溶液pH值和GR、ABSA的电聚合圈数对OFL测定的影响

为了探讨最优化的实验检测条件,研究了pH值的改变对OFL响应效果的影响。图5A显示了0.1 mol/L PBS溶液为支持电解质时,OFL在pABSA/GR/GCE修饰电极上的电化学响应。 从图5A中可以看到,OFL氧化峰电流 Ip随着pH值的增大而增大,在pH=6.5时达到最大值,但当pH>6.5时, Ip减少显著,因此,pH=6.5为溶液最佳pH值。

图5 pH值(A)、GR电聚合圈数(B)和ABSA电聚合圈数(C)对20 μmol/L OFL的氧化峰电流响应的影响Fig.5 Effect of solution pH(A), GR electro-polymerization cycles(B), and ABSA electro-polymerization cycles(C) on the oxidation current response of 20 μmol/L OFL at pABSA/GR/GCE

电聚合圈数也是影响修饰电极对OFL电化学响应的一个重要因素。图5B和5C显示了GR和ABSA电聚合圈数的不同时对20 μmol/L OFL在修饰电极上产生的峰电流的影响。 可以看出,GR聚合圈数5圈时, Ip达到最大值,这是由于电极表面的GR膜的增加使 Ip迅速增大,但过厚的GR膜可能阻碍了电子在OFL和电极表面之间的传递。 同理,当ABSA电聚合到2圈时, Ip达到了最大。 因此,选择电聚合GR 5圈,电聚合ABSA 2圈作为最佳的实验条件。

2.4 校准曲线

在最优条件下(pH=6.5,循环伏安聚合2圈),对不同浓度的OFL在修饰电极上的电化学行为进行了研究。 如图6可见,氧化电流( Ip/μA)随着OFL浓度增大而增大。 得到线性回归方程: Ip=2.1931+0.089 c(μmol/L)( R=0.995),线性范围1~600 μmol/L,检测限( S/N=3)为0.33 μmol/L, 表明pASBA/GR/GCE对OFL的测定有着较好的电化学性能。表1给出了本方法与先前报道[9,20,21,22]的OFL其它电化学分析方法的简单比较,明显看出我们制备的修饰电极具有更宽的线性检测范围,为OFL的电化学分析检测提供了有力的工具。

表1 OFL在pABSA/GR/GCE修饰电极的分析性能与其它修饰电极的比较 Table 1 Comparison of analytical performance of OFL at pABSA/GR/GCE with other modified electrodes in the literatures

图6 (A)不同浓度的OFL在pABSA/GR/GCE上的DPV曲线图; (B)OFL测定的线性标准曲线Fig.6 (A)DPV of pABSA/GR/GCE at different concentrations of OFL; (B)The calibration curve for the determination of OFL

2.5 干扰性和稳定性研究

为了评估pABSA/GR/GCE对高灵敏度检测OFL的选择性能,探讨了一些重要的生命物质和常见金属离子对OFL检测的干扰程度。 干扰实验在含有20 μmol/L OFL的0.1 mol/L pH=6.5的PBS溶液中进行,考察某种干扰物质即将该种物质加入待测溶液中进行研究。 100倍浓度的Na+、K+、Cl-、NO3-、SO42-,50倍浓度的葡萄糖、甘氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、精氨酸、亮氨酸和半胱氨酸,25倍浓度的抗坏血酸,尿酸对OFL的检测并无明显干扰,在容限范围±5%以内。 该结果表明本文方法对OFL的测定有着良好的选择性。

除此之外,还考察了pABSA/GR/GCE的稳定性。 将修饰好的pABSA/GR/GCE储存在4 ℃冰箱中。 7 d后用该修饰电极测定同一浓度的OFL,其氧化峰电流仅减少了2.48 %。

2.6 实际样品分析

该方法的实际应用是通过用该修饰电极测定氧氟沙星滴眼液(标示量为15 mg/5 mL)OFL的含量来证实的。 具体方法是:准确量取50 μL滴眼液置于10 mL 0.1 mol/L PBS(pH=6.5)溶液中并测定氧化电流,然后加入20 μL 0.01 mol/L的OFL标准溶液加标测定,将测定得到的电流值代入到已知的线性方程中计算浓度。表2给出了OFL在滴眼液中的含量测定结果,同时也证实了该修饰电极在实际应用中的可靠性。

表2 对药品中OFL含量的检测结果( n=3) Table 2 Determination results of OFL in pharmaceutical product( n=3)
3 结论

通过循环伏安法先后在玻碳电极(GCE)上电聚合石墨烯(GR)和对氨基苯磺酸(ABSA)制备了pABSA/GR/GCE修饰电极,该修饰电极对氧氟沙星(OFL)的电催化氧化效果显著。 该方法测定OFL展示了相对较好的线性浓度范围、较低的检测限、较好的选择性以及优良的稳定性。 另外,运用该方法成功测定了实际药品氧氟沙星滴眼液中OFL的浓度,回收率和相对标准偏差均符合实际样品测定的要求。

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