左氧氟沙星在膨胀石墨电极上的吸附伏安行为及其测定

左氧氟沙星在膨胀石墨电极上的吸附伏安行为及其测定

梁耀东,李弯弯,贺拥军

(西安科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710054)

摘要：利用膨胀石墨电极在正电位区域残余电流低、基线平稳的特点，采用循环伏安法、差分脉冲伏安法和紫外可见分光光度法，研究了左氧氟沙星在膨胀石墨电极上的伏安行为，并建立了测定左氧氟沙星的新方法。在0.2 mol·L-1 KH2PO4-Na2HPO4(pH=5.29)的缓冲溶液中，左氧氟沙星在+1.0 V(vs.SCE)处有一灵敏的不可逆氧化峰，采用差分脉冲伏安法对左氧氟沙星进行检测。在优化的实验条件下，峰电流与左氧氟沙星浓度在7.0×10-8～2.0×10-5 mol·L-1范围内呈线性关系，检出限为3×10-8 mol·L-1(s/n=3)，对1.0×10-6mol·L-1左氧氟沙星平行测定11次的相对标准偏差为2.2%.方法选择性好、灵敏度高，用于胶囊中左氧氟沙星含量的测定,回收率在96%～105%之间。结果表明，左氧氟沙星在膨胀石墨电极表面发生了吸附控制的两电子、两质子不可逆氧化过程。

关键词：膨胀石墨电极；左氧氟沙星；差分脉冲吸附伏安法

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0218

文章编号：1672-9315(2015)02-0242-06

收稿日期：*2015-01-20责任编辑：刘洁

基金项目:陕西省教育厅专项

通讯作者：梁耀东(1967-), 男，江苏镇江人, 副教授,E-mail:Liangyd@xust.edu.cn

中图分类号：O 632文献标志码： A

Adsorption voltammetric behavior and determination of levofloxacin at expanded graphite electrode

LIANG Yao-dong，LI Wan-wan，HE Yong-jun

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Abstract：Expanded graphite electrodes are of characteristics of low background currents and flat measure baseline over a range of the large positive potentials in aqueous solution.The voltammetric behavior of levofloxacin at expanded graphite electrode was investigated by cyclic voltammetry，differential potential voltammetry and ultraviolet-visible spectroscopy，and a new method for the determination of levofloxacin was proposed.A sensitive oxidation peak of levofloxacin in 0.2 mol L-1 KH2PO4-Na2HPO4(pH 5.29)buffer was obtained at + 1.0 V(vs.SCE),the content of levofloxacin was measured by differential potential voltammetry.Under the optimized condition，the oxidation peak current varied linearly with the concentration of levofloxacin in the range from 7.0×10 8 to 2.0×10 5 mol L-1，and the detection limit was 3×10 8 mol L-1(s/n = 3),the relative standard deviation of eleven measurements was 2.2 % for 1.0×10 6 mol L-1 levofloxacin.The method has fairly good selectivity and high sensitivity，and has been applied to the determination of levofloxacin in the capsules with the recoveries within 96 and 105%.The results showed that the oxidation of levofloxacin was an adsorption-controlled irreversible two-electron and two-proton process.

Keywords：expandedgraphiteelectrode；levofloxacin；differentialpulseadsorptionvoltammetry

0引言

左氧氟沙星是氟喹诺酮类药物之一，在临床上用于治疗呼吸系统、肠道内分泌系统、妇产科、皮肤、五官等多种系统感染及HIV病毒感染。目前，测定左氧氟沙星的方法主要有高效液相色谱法[1]、毛细管电泳法[2]、分光光度法[3]、荧光分光光度法[4]、化学发光法[5]、共振光散射法[6]和电化学分析法[7]。与其它方法相比，电化学分析法具有操作简单，灵敏度高和设备便宜等优点[8-10]。杜冰心等制备了聚甲基红膜修饰电极，用循环伏安法和线性扫描伏安法研究了左氧氟沙星在修饰电极上的电化学行为，并利用线性扫描法测定了左氧氟沙星注射液中左氧氟沙星的含量[6]。

膨胀石墨是一种新型碳素材料，具有比表面积大、表面能高、吸附力强、导电性和化学稳定性好等特点[11]，膨胀石墨作为电极材料，已应用于氨基酸注射液中色氨酸含量的测定[12]。本实验根据文献[12]制备了膨胀石墨,以固体石蜡为粘结剂制成膨胀石墨电极，探讨了左氧氟沙星在该电极上的电化学行为，并拟定了测定左氧氟沙星的差分脉冲吸附伏安法，本法可用于胶囊中左氧氟沙星含量的测定。

1实验部分

1.1仪器与试剂

LK98BⅡ型微机电化学分析系统(天津市兰力科化学电子高技术有限公司)；pHS-3C型数字式酸度计(江苏电分析仪器厂)；KQ-400DB型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；三电极体系，以了膨胀石墨电极为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极(文中所指电位均相对于SCE)。

1.00×10-3mol·L-1左氧氟沙星标准溶液：准确称取0.041 6g盐酸左氧氟沙星(中国药品生物制品检定所提供)，用5×10-3mol·L-1H2SO4溶解后并定容至100mL，遮光保存，用时用水稀释；0.2mol·L-1KH2PO4-Na2HPO4缓冲溶液：0.2mol·L-1KH2PO4和0.2mol·L-1Na2HPO4以不同比例配成不同pH的缓冲溶液。天然鳞片石墨(青岛海达石墨有限公司)。其他试剂均为分析纯，实验用水均为二次蒸馏水。

1.2膨胀石墨电极的制备与活化

膨胀石墨电极的制备：根据文献[13]，将天然鳞片石墨氧化后制备膨胀石墨，其扫描电镜图(图1)。当放大倍数为200倍时，可以清晰看出石墨蠕虫状形态(图1(a)),进一步增加放大倍数为5 000倍时得到膨胀石墨的网状空隙结构(图1(b))。按质量比5∶2准确称取膨胀石墨与固体石蜡于烧杯中，微热并搅拌使其混合均匀。冷却至室温后，将混合物装入φ为3mm的聚四氟乙烯塑料管中，压紧，用铜导线引出。电极使用前在称量纸上仔细打磨，直至表面光亮平整。

图1　膨胀石墨扫描电镜图 Fig.1　TEM image of expanded graphite

膨胀石墨电极的活化：为了获得更加灵敏稳定的响应电流，在-0.50 ～ 1.5V电位范围内，将工作电极在 0.2mol·L-1KH2PO4—Na2HPO4(pH5.29)缓冲液中以0.1V·s-1扫速循环扫描至基线稳定。

1.3实验方法

移取一定量左氧氟沙星溶液于0.2mol·L-1KH2PO4—Na2HPO4(pH=5.29)缓冲液中，插入三电极，开路搅拌富集80s，从+ 0.60V扫描至+1.40V，记录左氧氟沙星的差分脉冲氧化峰电流。电位增量0.01V,脉冲幅度50mV，脉冲宽度50ms，脉冲周期0.2s.

每次测量后，现将工作电极用蒸馏水淋洗，再将电极置于空白支持电解液中，于在-1.0 ～1.5V电位范围内以100mV·s-1循环扫描10次即可除去吸附在电极表面的残留物，恢复电极活性，实现连续测定。需要更新电极表面时，将膨胀石墨挤出2～3mm，抛光活化，用清水冲洗、活化后即可使用。

2结果和讨论

2.1左氧氟沙星在膨胀石墨电极上的伏安行为

在0.2mol·L-1KH2PO4—Na2HPO4(pH5.29)缓冲溶液中，2.0×10-5mol·L-1左氧氟沙星在膨胀石墨上的循环伏安图如图2所示。在0.0 ～1.4V电位范围内，当溶液中不存在左氧氟沙星时，循环伏安图中无任何峰出现(图2(a))。当该溶液中左氧氟沙星的含量为2.0×10-5mol·L-1时，阳极支上有一氧化峰,峰电位为1.0V，阴极支上无相应的还原峰出现(图2(b)),说明电极反应不可逆。多次循环伏安图表明，第一次扫描左氧氟沙星氧化峰电流较高,以后连续扫描,氧化峰电流逐次降低至一稳定值(图3)。在0.2mol·L-1KH2PO4—Na2HPO4(pH5.29)-2.0 × 10-5mol·L-1左氧氟沙星溶液中分别加入少量非离子表面活性剂曲通-100或Tween-100，阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠和阳离子表面活性剂溴代十六烷基三甲胺，都使峰电流降低。实验还比较了在相同条件下，左氧氟沙星在膨胀石墨电极和玻碳电极上的伏安行为(图4)。结果表明，左氧氟沙星在膨胀石墨电极上的氧化峰电流值远大于在玻碳电极上的氧化峰电流值。这些结果说明左氧氟沙星在膨胀石墨电极表面具有一定的吸附性。由图5可知，当扫速υ由0.02V·s-1增加至0.6V·s-1时，左氧氟沙星氧化峰电流随着扫速的增加而增大，并满足线性方程 ipa/μA= 0.004 + 0.137 υ/ V·s-1(r = 0.996)，进一步证明了左氧氟沙星在膨胀石墨电极表面发生吸附控制的不可逆氧化过程。

图2　左氧氟沙星循环伏安图 Fig.2　Cyclic voltammograms of levofloxacin (a) 空白(black)　(b) 2.0 × 10 -5 mol·L -1左氧氟沙星(levofloxacin)；0.2 mol·L -1 KH 2PO 4—Na 2HPO 4(pH 5.29)；0.1 Vs -1扫速(scan rate)

图3　左氧氟沙星的连续循环伏安图 Fig.3　Multicyclic voltammograms of levofloxacin 实线(solid line).2.0 × 10 -5 mol·L -1左氧氟沙星(levofloxacin)；虚线(dashed line)　空白(black)；0.2 mol·L -1 KH 2PO 4—Na 2HPO 4(pH 5.29)；0.1 Vs -1扫速(scan rate)；扫描圈数(scan cycles)：1-5 由外至里(from the outer to the inner)

图4　左氧氟沙星在玻碳电极(c，d)和 膨胀石墨电极(a，b)上的循环伏安图 Fig.4　Cyclic voltammograms of levofloxacin at expanded graphite electrode(c，d)and glass carbon electrode(a，b) a，c空白(black)；b，d 2.0 × 10 -5 mol·L -1左氧氟沙星(levofloxacin)

对于受吸附控制的不可逆氧化过程，峰电位(Ep)与扫速(v)之间关系符合Laviron方程式[14]

左氧氟沙星氧化峰电位随介质pH值升高负移，在pH4.49～6.24范围内，峰电位Ep与pH的关系为Ep/V = 1.36-0.098pH(r=0.996 2，n=7)。由直线斜率2.303RTm/αnF= 0.098可知,参加反应的H+数m=1.83，约为2[15].

图5　2.0 × 10 -5 mol·L -1左氧氟沙星在不同扫描 速度下的线性扫描伏安图 Fig.5　Linear sweep voltammograms of 2.0 × 10 -5 mol·L -1 levofloxacin at different scan rates (a) 20 mV/s扫描速度(scan rate)　(b) 50 mV/s扫描速度(scan rate)　(c)100 mV/s扫描速度(scan rate)　(d) 200 mV/s扫描速度(scan rate)　(e) 300 mV/s扫描速度(scan rate)　(f) 400 mV/s扫描速度(scan rate)　(g) 500 mV/s扫描速度(scan rate)　(h) 600 mV/s扫描速度(scan rate)

图6　电解8 h前后2.0 × 10 -5mol·L -1左氧氟沙星-0.2 mol·L -1 KH 2PO 4—Na 2HPO 4 (pH 5.29)体系紫外吸收光谱 Fig.6　UV spectra of 2.0 × 10 -5 mol·L -1 levofloxacin in 0.2 mol·L -1 KH 2PO 4— Na 2HPO 4 (pH 5.29)buffer before (b)and after(a)electrolysis for 8 h

将KH2PO4—Na2HPO4(pH5.29)-2.0 × 10-5mol-1左氧氟沙星溶液在1.0V恒电位电解8h,比较电解前后的循环伏安图和紫外吸收光谱图。电解前,左氧氟沙星在1.0V处出现不可逆氧化峰；电解8h后，1.0V处氧化峰电流几乎消失,说明左氧氟沙星被氧化。紫外吸收光谱图显示，电解前，左氧氟沙星在0.2mol·L-1KH2PO4—Na2HPO4(pH5.29)的缓冲溶液中出现2个吸收峰,波长分别为295和328nm(图 6(b))。电解后，吸收光谱几乎未变，只是295和328nm处吸收峰略微降低(图 6(a))。降低的原因是由于膨胀石墨能将左氧氟沙星萃取到膨胀石墨电极表面，而导致溶液中左氧氟沙星浓度的降低[11]。以上事实说明电极反应并没有破坏左氧氟沙星的共轭体系,而是共轭体系外的基团发生了反应。左氧氟沙星分子中甲基取代哌嗪基团上的氮原子是电活性基团[16]。在弱酸性介质中，甲基取代哌嗪基团的氮原子在电极表面发生失去两电子、两个质子过程，并产生N—O基团。具体的电极过程可表示如下

2.2测定条件的优化

实验比较了伏安分析中较为常用的线性扫描伏安法、方波伏安法、差分脉冲伏安法。结果表明，差分脉冲伏安法测定的灵敏度最高、峰电流值最大且峰形最好，故选择差分脉冲伏安法作为测定左氧氟沙星的方法。如图7所示，左氧氟沙星在0.2mol·L-1KH2PO4—Na2HPO4(pH5.29)介质中，产生一个灵敏的氧化峰，峰电位为1.0V,峰电流值与左氧氟沙星浓度在一定范围内呈线性关系，因而可以用于左氧氟沙星的定量分析。实验选择1.0× 10-6mol·L-1左氧氟沙星对测试条件进行优化。

图7　左氧氟沙星差分脉冲伏安图 Fig.7　Differential potential voltammetrys of levofloxacin (a) 空白(black)　(b) 1.0× 10 -6 mol·L -1 左氧氟沙星(levofloxacin)

2.2.1底液的选择

分别在H2SO4，HCl，HAc-NaAc，NH3·H2O-NH4Cl，Britton-Robinson，NaOH，KH2PO4—Na2HPO4等多种底液中进行实验，结果表明，在KH2PO4-Na2HPO4缓冲液中峰形较好。在pH为5.29时，峰电流最高且较稳定，故选0.2mol·L-1KH2PO4—Na2HPO4(pH=5.29)缓冲液为底液。

2.2.2电极组成的影响

分别选用不同配比的膨胀石墨、固体石蜡制作电极。实验发现，随膨胀石墨含量的增加,峰电流逐渐增加。当膨胀石墨与固体石蜡质量比为5∶2 时，峰电流达到最大值；再增加膨胀石墨含量，峰电流几乎不变。因此，实验选择膨胀石墨与固体石蜡质量比为5∶2 的电极作为工作电极。

2.2.3富集电位和富集时间的影响

当富集电位在-0.30 ～ + 0.70V之间变化时，左氧氟沙星的峰电流基本不变(变化值小于±5%)。但其峰电流随搅拌富集时间的延长而增加，最后达到稳定值。对于1.0×10-6mol·L-1左氧氟沙星，富集30s达到稳定值，2.0× 10-5mol·L-1左氧氟沙星，富集80s达到稳定值，故选择开路搅拌富集80s.

2.3线性范围、检出限和电极重现性

左氧氟沙星浓度与其差分脉冲伏安峰电流在7.0× 10-8～ 2.0× 10-5mol·L-1范围内呈线性关系：ip(nA)=2.6+ 9.1×106C(mol·L-1)，线性相关系数为0.997，检出限为3×10-8mol·L-1.对1.0×10-6mol·L-1左氧氟沙星平行测定11次的相对标准偏差为2.2%，说明此电极的重现性和稳定性良好。

2.4干扰实验

2.5样品分析

取10粒左氧氟沙星胶囊，置于研钵中研细,混匀。准确称取约相当于左氧氟沙星0.1mmol(41.6mg)的样品,用5×10-3mol·L-1H2SO4溶解后并定容至100mL,摇匀，干过滤；准确移取滤液1.00mL，用水逐级稀释100倍，再按照实验步骤按实验方法测定峰电流值，计算左氧氟沙星含量。在样品中加入左氧氟沙星标准溶液测其回收率，结果列于表1.

表1　胶囊中左氧氟沙星含量的测定结果

3结论

1)采用循环伏安法、差分脉冲伏安法和紫外可见分光光度法，研究了左氧氟沙星在膨胀石墨电极上的伏安行为。实验结果表明，左氧氟沙星在膨胀石墨电极表面发生了吸附控制的两电子、两质子不可逆氧化过程；

2)在0.2mol·L-1KH2PO4—Na2HPO4(pH=5.29)缓冲溶液中，左氧氟沙星在+ 1.0V(vs.SCE)处产生一灵敏的氧化峰。峰电流与左氧氟沙星浓度在7.0× 10-8～ 2.0× 10-5mol·L-1范围内呈线性关系。据此,拟定了测定左氧氟沙星含量的吸附差分脉冲伏安法。方法选择性好、灵敏度高，可用于药剂中左氧氟沙星的含量测定。

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