曲克芦丁对Belousov-Zhabotinskii振荡体系的扰动及其含量测定

叶丹妮, 蔡　卓, 蒋翠文, 岳伟超

(广西大学化学化工学院, 南宁 530004)



曲克芦丁对Belousov-Zhabotinskii振荡体系的扰动及其含量测定

叶丹妮, 蔡卓, 蒋翠文, 岳伟超

(广西大学化学化工学院, 南宁 530004)

摘要基于曲克芦丁对Belousov-Zhabotinskii振荡体系的扰动, 建立了一种测定曲克芦丁的新方法. 在优化条件下, 振幅改变量ΔE与曲克芦丁的浓度在0.808～40.4 μmol/L范围内呈现良好的线性关系, 检出限为2.14×10-7mol/L(S/N=3). 对曲克芦丁注射液中的曲克芦丁进行了分析测定, 回收率在98.8%～101%之间, 测定结果与紫外法无显著性差异. 采用循环伏安法和紫外分光光度法对可能的扰动机理进行了探讨.

关键词Belousov-Zhabotinskii振荡; 曲克芦丁; 化学振荡

曲克芦丁(Troxerutin)是芦丁在碱性条件下与环氧乙烷进行醚化反应得到的羟乙基芦丁, 具有降低人体毛细血管的通透性和脆性、抑制血小板凝结及防止血栓形成的作用, 是临床上治疗闭塞性脑血管病的常用药物[1]. 目前已报道的曲克芦丁分析方法有色谱法[2], 紫外-可见分光光度法[3]、流动注射胶束化学发光法[4]和电化学伏安法[5], 而应用化学振荡法进行定量分析尚未见报道.

Belousov-Zhabotinskii(B-Z)振荡反应是指在Ce(Ⅳ)和Mn(Ⅱ)等金属离子催化下, 溴酸盐在酸性介质中氧化具有活性亚甲基的多氧有机化合物的一类化学振荡反应[6]. 化学振荡法因其灵敏度高、仪器设备简单而受到人们的关注, 采用振荡反应对物质进行分析的报道也日益增多[7～12]. 以化学振荡反应进行测定的主要依据是振荡体系对于外来物质的扰动十分敏感, 当在振荡体系中加入某种特定的物质时, 振荡图谱的参数会发生一定的变化, 而这种参数的变化与外来物质的浓度有一定的线性关系, 由此可以对其进行定量测定. 赖红伟等[13]建立了B-Z振荡反应测定阿莫西林的新方法; 高锦章等[14]利用B-Z振荡体系周期和振幅的变化率与青霉素浓度负对数的线性关系, 实现了对青霉素的测定.

本文基于曲克芦丁对B-Z振荡体系的扰动, 建立了测定曲克芦丁的新方法, 并应用于曲克芦丁注射液的分析. 采用紫外分光光度法和循环伏安法对曲克芦丁的扰动机理进行了探讨.

1实验部分

1.1试剂与仪器

溴酸钾、硫酸铈和丙二酸(A.R.级, 国药集团化学试剂有限公司); 硫酸(A.R.级, 上海试一化学试剂有限公司); 曲克芦丁标准品(上海晶纯生化科技股份有限公司); 所用试剂均根据需要配制成相应浓度的水溶液; 实验用水为去离子水.

科思特350型电化学工作站(武汉科思特仪器有限公司); AL104型电子分析天平(梅特勒-托利多仪器上海有限公司); UV-2012PCS型紫外-可见分光光度计(上海尤尼柯仪器有限公司).

1.2实验过程

实验装置如图1所示, 振荡反应在100 mL夹套烧杯中进行, 超级恒温水浴装置通过外循环恒温水维持体系温度恒定在(36±0.1) ℃, 在恒速搅拌下, 以铂电极为工作电极, 甘汞电极为参比电极, 用连接计算机的电化学工作站检测并记录振荡体系反应过程的电位信号.

实验体系为CH2(COOH)2-H2SO4-Ce4+-KBrO3. 依次在100 mL夹套烧杯中加入5.0 mL 3.0 mol/L H2SO4溶液, 2.0 mL 0.02 mol/L Ce(SO4)2溶液和5.0 mL 0.2 mol/L CH2(COOH)2溶液, 恒温恒速搅拌5 min, 点击工作站数据采集键, 迅速注入8.0 mL 0.25 mol/L KBrO3溶液, 保持体系总体积为20 mL, 以KBrO3溶液的注入时间为开始时间, 经过一段诱导期后, 体系会发生规律而稳定的振荡, 如图2所示. 当振荡图谱稳定后, 在同一振荡峰峰谷处迅速注入0.1 mL已知浓度的曲克芦丁溶液, 同时记录, 待振荡图谱再次稳定时, 停止记录, 即得曲克芦丁对B-Z振荡体系的扰动图谱. 通过扰动图谱可考察各参数对振荡体系的影响.

Fig.1　Schematic diagram of the experimental　 apparatus

Fig.2　Oscillation spectrum of B-Z oscillating system　System conditions: 0.75 mol/L H2SO4+100.0 mmol/L 　KBrO3+2.0 mmol/L Ce4+ +50.0 mmol/L CH2(COOH)2.

2结果与讨论

2.1曲克芦丁对振荡体系的扰动

如图3(A)所示, 曲克芦丁的加入会对振荡图谱产生一定的扰动, 表现为振荡图谱峰谷电位迅速下降, 振幅发生变化, 变化值记为ΔE. 如果加入的物质是去离子水, 振荡图谱不会产生扰动, 振幅也不会发生任何变化. 当加入的曲克芦丁浓度增加时, 峰谷电位下降的幅度增大[见图3(B)]. 为了保证实验的重现性及准确性, 每次都在同一峰谷处注入曲克芦丁溶液, 并保持试剂加入顺序不变.

Fig.3　Oscillation spectra of B-Z oscillating system with 28.3 μmol/L(A) and 40.4 μmol/L troxerutin(B)

2.2振荡体系条件的优化

为了使振荡体系对于曲克芦丁的扰动响应最为灵敏, 考察了体系的催化剂种类、加样时机、温度、搅拌速度及各组分浓度等因素对振幅变化值ΔE的影响.

2.2.1催化剂的选择考察了振荡体系中不同的催化剂对曲克芦丁扰动情况的影响. 结果表明, 含Ce4+的振荡体系比含Mn2+的振荡体系对于曲克芦丁的扰动响应更灵敏, 振幅的变化更明显, 现象更稳定, 所以选择Ce4+作为振荡体系的催化剂.

2.2.2加样时机的选择实验分别考察了在振荡图谱峰谷处、峰尖处、振荡峰上升和下降途中等时机加样对体系的扰动情况. 结果表明, 在峰谷处加样现象最明显, 所以选择在振荡峰谷位置注入样品溶液.

2.2.3体系温度的影响 体系温度对于振荡图谱的影响如图4(A)所示, 在27～39 ℃范围内, ΔE随温度的增加呈现先上升后下降的趋势, 当温度为36 ℃时, ΔE达到最大, 因此选择36 ℃作为振荡体系的温度.

Fig.4　Effects of temperature(A), stirring rate(B) and concentrations of KBrO3(C), Ce4+(D), 　malonic acid(E) and H2SO4(F) on ΔE

2.2.4搅拌速度的影响搅拌速度直接影响体系组分的混合情况. 如图4(B)所示, 在200～1000 r/min范围内, 随着搅拌速度的增加, ΔE呈现先增大后减小的趋势. 搅拌速度较慢时, 体系组分不能及时混匀; 若搅拌速度过快, 会产生气泡或者引入空气造成影响, 因此选择600 r/min作为振荡体系的搅拌速度.

2.2.5KBrO3浓度的影响由图4(C)可知, KBrO3浓度在60.0～100.0 mmol/L范围时, ΔE保持基本不变, 当KBrO3浓度大于100 mmol/L时, ΔE呈现减小的趋势, 可能是曲克芦丁与KBrO3发生了反应, 从而削弱了曲克芦丁对振荡体系的影响. 因此选择100.0 mmol/L作为振荡体系KBrO3的浓度.

2.2.6Ce4+浓度的影响Ce4+是体系中的催化剂. 如图4(D)所示, 当Ce4+浓度在0.5～3.0 mmol/L范围内时, ΔE随着Ce4+浓度的增加先升高后降低, 当Ce4+浓度为2.0 mmol/L时ΔE达到最大. 因此选择2.0 mmol/L作为振荡体系中Ce4+的浓度.

2.2.7CH2(COOH)2浓度的影响CH2(COOH)2是体系的有机底物. 如图4(E)所示, 当其浓度在25.0～125.0 mmol/L范围内时, ΔE随着CH2(COOH)2浓度的增加而减小, 可能是由于CH2(COOH)2浓度较高时, 体系更稳定, 对于外来物的抗干扰能力更强, 从而使得体系对于曲克芦丁的扰动响应值变小. 综合考虑体系的稳定程度及ΔE的变化, 选择50.0 mmol/L作为振荡体系中CH2(COOH)2的浓度.

2.2.8H2SO4浓度的影响H2SO4溶液为体系提供酸性环境. 由图4(F)可知, 在0.25～1.25 mol/L范围内, 随着H2SO4浓度逐渐增加, ΔE呈现先增大后减小的趋势, 而当H2SO4浓度为0.75 mol/L时, ΔE最大, 所以选择0.75 mol/L作为振荡体系H2SO4的浓度.

综上所述, 振荡体系的最佳条件如下: H2SO4浓度为0.75 mol/L, Ce4+浓度为2.0 mmol/L, CH2(COOH)2浓度为50.0 mmol/L, KBrO3浓度为100.0 mmol/L, 测定温度为36 ℃, 转速为600 r/min.

2.3线性范围、检出限及精密度

配制了一系列不同浓度的曲克芦丁溶液, 在最佳实验条件下进行测定, 考察不同浓度的曲克芦丁溶液对于B-Z振荡体系的扰动情况. 实验结果表明, 在0.808～40.4 μmol/L范围内, 曲克芦丁的浓度与ΔE呈良好线性关系, 回归方程为ΔE=1.7365c-1.3192(r=0.9989,N=9), 检出限为2.14×10-7mol/L(n=11). 对1.62×10-5mol/L的曲克芦丁溶液平行测定11次, 其相对偏差为2.6%, 可见重现性良好.

2.4干扰实验

在最佳实验条件下, 研究了一些常见的金属离子和药物辅料对8.08 μmol/L曲克芦丁测定的干扰情况. 当相对误差在±5%范围内时, 体系对共存干扰物的允许量如表1所示, 可见本方法具有较强的抗干扰能力.

Table 1　Maximum ratio of some interfering species

2.5实际样品测定

采用本文方法对同一厂家不同批次的曲克芦丁注射液进行了分析. 将10支市售同一批号的曲克芦丁注射液混合均匀后稀释至适当浓度, 在优化条件下测定曲克芦丁的含量, 同时进行加标回收实验. 样品辅料为注射用水, 无需预处理. 测定结果分别列于表2和表3, 并与紫外分光光度法测定的结果进行比较. 经过t检验可知, 本方法与紫外分光光度法在95%的置信水平上无显著差异.

Table 2　Results of determination of troxerutin in injection(n=5)*

* Troxerutin injection(Shanghai Modern Hasen Pharmaceutical Co. Ltd.)

Table 3　Results of recovery(n=5)

2.6机理探讨

当曲克芦丁加入到B-Z振荡体系后, 与体系中某种组分发生相互作用而产生扰动. 为了探讨曲克芦丁在振荡体系中的反应情况, 采用紫外分光光度法分别对曲克芦丁溶液、曲克芦丁与振荡体系中其它组分两两混合后的溶液进行了测定, 结果如图5所示.

图5曲线a为曲克芦丁的紫外吸收曲线, 可见曲克芦丁在254 nm处有紫外吸收峰; 曲线b和c分别为曲克芦丁与硫酸及曲克芦丁与丙二酸混合溶液的紫外吸收曲线, 可见254 nm处的紫外吸收峰基本不变, 说明曲克芦丁不与体系中的硫酸、丙二酸发生反应; 曲线d和e分别是曲克芦丁与Ce4+及曲克芦丁与KBrO3混合后溶液的紫外吸收曲线, 曲线d的紫外吸强度比曲线a明显降低, 说明曲克芦丁与Ce4+发生了作用并消耗了部分曲克芦丁; 而曲线e表明, 当曲克芦丁与KBrO3混合后, 虽然在254 nm处仍有紫外吸收峰, 但峰形已有一些变化, 说明KBrO3对曲克芦丁有一定的作用, 只是这种作用不是很明显.

Fig.5　UV absorption spectra of different systems a. 2.59×10-5 mol/L troxerutin; b. 2.59×10-5 mol/L troxerutin+0.1 mol/L H2SO4; c. 2.59×10-5 mol/L troxerutin+4.0 mmol/L CH2(COOH)2; d. 2.59×10-5 mol/L troxerutin+2.0 mmol/L Ce4+; e. 2.59×10-5 mol/L troxerutin+5.0 mmol/L KBrO3.

Fig.6　Cyclic voltammograms of different 　systems a. 0.5 mol/L H2SO4; b. 0.5 mol/L H2SO4+2.4 mmol/L troxerutin; c. 0.5 mol/L H2SO4+2.4 mmol/L troxerutin+1.0 mmol/L Ce4+.

曲克芦丁与Ce4+发生反应的现象也体现在溶液的外观上. 当曲克芦丁加入到Ce4+溶液中后, 溶液颜色由亮黄色变为橙黄色. 采用循环伏安法(CV) 进一步研究了曲克芦丁与Ce4+的相互作用. 以0.5 mol/L硫酸溶液作为支持电解质, 裸玻碳电极为工作电极, 甘汞电极为参比电极, 铂丝电极为辅助电极, 以20 mV/s的扫描速度, 在+0.6～+1.0 V电位范围内分别对Ce4+、曲克芦丁及其混合溶液进行伏安扫描, 结果如图6所示. 图6曲线a为支持电解质硫酸溶液的CV曲线, 曲线b为曲克芦丁的CV曲线, 曲线c为曲克芦丁与Ce4+混合溶液的CV曲线. 可见, 曲线b存在明显的氧化峰, 说明曲克芦丁在扫描的电位范围内能被氧化; 曲线a上无何氧化还原峰, 说明支持电解质溶液在此范围内未发生任何电化学反应; 曲线c上也没有任何氧化还原峰, 说明当曲克芦丁与Ce4+混合后, 曲克芦丁被Ce4+氧化, 从而使原有的氧化峰消失.

曲克芦丁含有酚羟基, 具有还原性, 易与氧化剂发生反应. 在本振荡体系中只有Ce4+和KBrO3为氧化剂, 由于曲克芦丁更易被Ce4+所氧化, 因此推断曲克芦丁对于振荡体系的扰动主要是消耗了Ce4+. 而还原产物Ce3+又被体系中过量的KBrO3氧化成Ce4+, 继续参与振荡循环, 所以曲克芦丁对于振幅的影响持续时间有限, 最终体系会逐渐趋于稳定.

根据FKN 机理[15], B-Z 振荡反应是包括20多个基元反应的复杂过程, 结合这些基元反应, 可将曲克芦丁参与的振荡反应概括为如下5个过程:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

3结论

曲克芦丁对Belousov-Zhabotinskii振荡体系可以产生扰动, 且曲克芦丁的浓度与振幅的改变值呈良好的线性关系, 据此建立了B-Z振荡反应测定曲克芦丁的新方法. 考察了催化剂种类、加样时机、温度、搅拌速度及各组分浓度等对扰动程度的影响; 在优化条件下对注射液样品中的曲克芦丁进行了测定. 实验结果表明, 利用B-Z 振荡反应进行曲克芦丁的测定具有操作简单、准确性高等特点, 可用于实际样品的测定.

参考文献

[1]Ren J. Q.,PracticalMedicineHandbook, Shandong Science and Technology Press, Jinan, 2003, 1055(任娟清. 实用药物手册, 济南: 山东科学技术出版社, 2003, 1055)

[2]Shi J. M., Lin L.,ChinaPharmacy, 2013, 24(21), 1994—1996(施洁明, 林玲. 中国药房, 2013, 24(21). 1994—1996)

[3]Yu S. H., Gong A. Q., Ji Z. P., Ma Z. J., Zhu X. S.,JournalofYangzhouUniversity(NaturalScience), 2006, 9(7), 28—30(于素华, 龚爱琴, 嵇正平, 马正军, 朱霞石. 扬州大学学报(自然科学版), 2006, 9(7), 28—30)

[4]Chen X. L., Ma H. Y., Zhang Y. F.,AnalysisLaboratory, 2005, 25(7), 109—111(陈小利, 马红燕, 张耀峰. 分析试验室, 2005, 25(7), 109—111)

[5]Hao C. X., Zhang S. M.,LaboratoryAnalysis, 2001, 20(2), 23—26(赫春香, 张淑敏. 分析实验室, 2001, 20(2), 23—26)

[6]Hu G., Liu T. T.,JournalofAnhuiUniversity(NaturalScience), 2015, 39(2), 97—108(胡刚, 刘婷婷. 安徽大学学报(自然科学版), 2015, 39(2), 97—108)

[7]Li S. J., Huang J. B., Zou G. H., Lan H., Luo S. X., Yu L, Zong X. M., Wang X.,Chin.Anal.Chem., 2010, 38(9), 1353—1356(李守君, 黄金宝, 邹桂华, 兰焕, 罗时旋, 于莲, 宗希明, 王旭. 分析化学, 2010, 38(9), 1353—1356)

[8]Li S. J., Lan H., Li X. F., Chi Y. Y., Wang Z. X.,ChemicalResearchandApplication, 2011, 23(12), 1649—1653(李守君, 兰焕, 李晓凤, 迟云英, 王志祥. 化学研究与应用, 2011, 23(12), 1649—1653)

[9]Gao J. Z., Liu Y. J., Zhang X. L., Li M., Yang W.,JournalofNorthwestNormalUniversity(NaturalScience), 2011, 47(3), 49—47(高锦章, 刘艳君, 张晓莉, 李铭, 杨武. 西北师范大学学报(自然科学版), 2011, 47(3), 49—47)

[10]Wang E. D., Lu L. L., Zhang T. M., Dong W. B., Lu H. M., Liang Y. Z., Xu T. S., Zhang J., Chen C. N.,Chem.J.ChineseUniversities, 2015, 36(6), 1052—1060(王二丹, 鲁利利, 张泰铭, 董文宾, 卢红梅, 梁逸曾, 许天舒, 张娟, 陈春楠. 高等学校化学学报, 2015, 36(6), 1052—1060)

[11]Zhou L., Tang J. N., Liu B., Wu Y. G.,Chem.Res.ChineseUniversities, 2009, 25(4), 522—525

[12]Zhang J. , Zhong J. H. , Wang Z. P. , Luo X. L. , Fu T. F. , Zhang T. M. , Wang Y. N. , Guo S. S. , Wang E. D. ,ChineseJ.Anal.Chem., 2014, 42(4), 559—564(张娟, 钟俊辉, 王志沛, 骆学雷, 付廷发, 张泰铭, 王艳娜, 郭沙沙, 王二丹. 分析化学, 2014, 42(4), 559—564)

[13]Lai H. W., Cao H. M., Dong S. F., Han L. Q., Lu Z., Dong S. G., Jia Q. Y.,ChineseJ.Appl.Chem., 2014, 31(3), 361—366(赖红伟, 曹宏梅, 董顺福, 韩丽琴, 陆钊, 董树国, 贾骐羽. 应用化学, 2014, 31(3), 361—366)

[14]Gao J. Z., Qu J., Wei X. X., Guo M., Ren J., Yang W.,Anal.Chem., 2008, 36(6), 735—739(高锦章, 曲婕, 魏晓霞, 郭淼, 任杰, 杨武. 分析化学, 2008, 36(6), 735—739)

[15]Field R. J.,J.Am.Chem.Soc., 1972, 94(25), 8649—8664

Disturbance of Troxerutin to Belousov-Zhabotinskii Oscillating

System and Its Content Determination†

YE Danni, CAI Zhuo*, JIANG Cuiwen, YUE Weichao

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

AbstractA new method for the determination of troxerutin was developed based on the disturbance of troxerutin to Belousov-Zhabotinskii oscillation system. Under optimal conditions, the variation of ΔEhad a linear relationship with troxerutin concentration in the range of 0.808—40.4 μmol/L, with detection limit of 2.14×10-7mol/L(S/N=3). The established method was used to determination of troxerutin in injection, and the recovery was 98.8%—101%. The results showed that the data obtained by this method and the ones by UV method had no significant difference. The possible mechanism was studied using cyclic voltammetry and UV spectrophotometry.

Keywords Belousov-Zhabotinskii oscillation; Troxerutin; Chemical oscillation

(Ed.: N, K)

† Supported by the Natural Science Foundation of Guangxi, China(No.2015GXNSFAA139239).

doi:10.7503/cjcu20150434

基金项目:广西自然科学基金(批准号: 2015GXNSFAA139239)资助.

收稿日期:2015-06-19. 网络出版日期: 2015-12-20.

中图分类号O652; O615.4

文献标志码A

联系人简介: 蔡卓, 男, 博士, 教授, 主要从事分析化学的教学与研究工作. E-mail: zhuocai@gxu.edu.cn