呋塞米在APTS与石墨烯复合修饰碳糊电极上的电化学行为及电分析方法研究

吴 锐，田碧桃，马少宁，陈纪文，高作宁

(1.银川能源学院 石油化工系，宁夏 银川 750100；2.宁夏出入境检验检疫局，宁夏 银川 750100；3.宁夏大学 化学化工学院，宁夏 银川 750021；4.宁夏宝塔化工中心实验室，宁夏 银川 750100)

呋塞米在APTS与石墨烯复合修饰碳糊电极上的电化学行为及电分析方法研究

吴 锐1，田碧桃2，马少宁1，陈纪文1，高作宁3,4*

(1.银川能源学院 石油化工系，宁夏 银川 750100；2.宁夏出入境检验检疫局，宁夏 银川 750100；3.宁夏大学 化学化工学院，宁夏 银川 750021；4.宁夏宝塔化工中心实验室，宁夏 银川 750100)

研究了呋塞米(FUR)在3-氨基丙基三氧基硅烷(APTS)和石墨烯(RGO)复合修饰碳糊电极(APTS-RGO/CPE)上的电化学行为。实验结果表明，与CPE相比，APTS-RGO/CPE对呋塞米的电化学氧化显著增强，其氧化峰电流增加3.4倍。同时采用循环伏安法(CV)、计时电流法(CA)测定了FUR在APTS-RGO/CPE上的电极反应动力学参数，用微分脉冲伏安法(DPV)测得FUR氧化峰电流与浓度的线性范围为1.3～330 mg/L，检出限(LOD,S/N=3)为1.1×10-2mg/L。将该修饰电极应用于市售呋塞米片剂的检测，相对标准偏差(RSD)为0.4%～ 4.4%，回收率为98.5%～99.7%，检测结果符合电化学定量测定要求。

呋塞米；3-氨基丙基三氧基硅烷；石墨烯；修饰碳糊电极；电分析方法

图1 FUR的结构式Fig.1 The structure of furosemide

呋塞米(Furosemide，FUR，结构式见图1)，化学名2-[(2-呋喃甲基)氨基]-5(氨磺酰基)-4氯苯甲酸，又名速尿、呋喃苯胺酸，是一种强效利尿剂，因口服吸收迅速，吸收率高，临床上用于治疗水肿以及促进上部尿道结石的排出。研究表明呋塞米对心力衰竭和心肌重塑有很好的疗效[1-2],同时也可降低急性心力衰竭的死亡率[3-4]；因具有一定的血管扩张作用，故在治疗急性哮喘[5]、降低鼻窦手术后鼻息肉的复发率[6]方面也有应用。呋塞米具有排尿降低体重能力，是奥委会的违禁物品[7]，更是不法厂商生产减肥保健品的非法添加药品[8]。长期大量服用呋塞米可以导致体内电解质平衡失调、肾脏毒性、肾功能衰竭[9]。目前，测定FUR的方法主要有分光光度法[10]、荧光法[11]、化学发光法[12-13]、色谱法[14-15]、毛细管电泳法[16]和电化学分析法[17-19]等。其中电化学方法主要有金电极直接测定法[17]、多壁碳纳米管修饰碳糊电极法[18]和石墨电极直接测定法[19]。本文采用3-氨基丙基三氧基硅烷(APTS)与石墨烯(RGO)复合修饰碳糊电极(APTS-RGO/CPE)建立了呋塞米的电化学检测方法，具有灵敏度高、选择性好、操作简单等优点。

石墨烯(RGO) 因其独特的结构以及良好的电催化效果，被广泛应用于电化学检测[20-23]。3-氨基丙基三氧基硅烷(APTS)可作为纳米材料的连接剂，形成具有特殊结构的纳米材料[24]，而其良好的导电性能也使其应用于电化学检测[25]。本文利用APTS与RGO制备了APTS-RGO/CPE。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI660A电化学工作站(美国CHI仪器公司)；三电极系统：工作电极为自制的CPE、ATPS-CPE、RGO/CPE和APTS-RGO/CPE电极，饱和甘汞电极(上海雷磁232型)为参比电极，CHI115铂丝为辅助电极。

呋塞米(武汉远成共享科技有限公司，生产批号：54-30-2，纯度≥99%)，3-氨基丙基三氧基硅烷(成都化夏试剂有限公司，生产批号：13822-56-1，纯度≥99%)，石墨烯为本实验室合成[11]。本实验所用药品、试剂均为分析纯，使用二次蒸馏水配制各种溶液，测试前先将高纯氮气通入电解杯中除去氧气，所有测试均在室温下进行。

1.2 电极制作

碳糊电极(CPE)和石墨烯修饰碳糊电极(RGO/CPE) 参考文献[23]制作。3-氨基丙基三氧基硅烷修饰碳糊电极(APTS/CPE) 参考文献[25]制作。考察了石墨烯液体与APTS的最佳混合比，在1.2 g石墨粉中加入0.6 mL石墨烯液体和0.3 mL APTS溶液混合均匀，最后加入0.4 mL 液体石蜡，研磨均匀后装入聚四氟乙烯管，制得复合修饰电极(APTS-RGO/CPE)。

每次实验前将所得到的CPE、RGO/CPE、APTS/CPE和APTS-RGO/CPE推出1～2 mm，在称量纸上抛光待用。

1.3 实验方法

以pH 2.0的0.04 mol/L 伯瑞坦-罗宾森(B-R)缓冲溶液作为支持电解质。以1.0×10-2mol/L FUR作为储备液，将其稀释至3.0×10-4mol/L加入电解池中，将三电极体系置于上述溶液中，在0.2～1.2 V范围内分别用循环伏安法(CV)和计时电流法(CA)进行实验，并在最佳检测条件下，用微分脉冲伏安法(DPV)测定FUR氧化峰电流与其浓度的关系，建立电分析方法并对市售药品进行检测。

2 结果与讨论

2.1 电极表征

图2为CPE和APTS-RGO/CPE的扫描电镜照片。裸碳糊电极的表面比较平滑(图2A)，而修饰上APTS和石墨烯后(图2B)，观察到很多纳米片层和孔洞结构，粗糙程度明显增加，这种结构可以显著提高FUR在电极表面的富集效率，提供更多的反应位点，从而使电活性物质具有更好的催化效果。

图2 CPE(A)和APTS-RGO/CPE(B)表面的扫描电镜(SEM)图Fig.2 SEM images of CPE(A) and APTS-RGO/CPE(B)

图3 CPE(a)、RGO/CPE(b)、APTS/CPE(c)、APTS-RGO/CPE(d)的电化学阻抗谱图Fig.3 Electrochemical inpedance spectra for CPE(a), RGO/CPE(b), APTS/CPE(c) and APTS-RGO/CPE(d)5.0×10-3mol/L [Fe(CN6)]3-/4-+1.0 mol/L KCl

图4 3.0×10-4 mol/L FUR在CPE(a)、RGO/CPE(b)、APTS/CPE(c)、APTS-RGO/CPE(d) 上的循环伏安曲线Fig.4 The CV curves of CPE(a), RGO/CPE(b), APTS/CPE(c) and APTS-RGO/CPE(d) in 3.0×10-4 mol/L FURscan rate:50 mV/s

图3为电化学探针对不同电极的电化学交流阻抗谱图。从图中可以看出，CPE(曲线a)的高频部分半圆弧直径远大于RGO/CPE(曲线b)、APTS/CPE(曲线c)和APTS-RGO/CPE(曲线d)，表明氧化还原探针在CPE上具有较大的电子转移电阻。而RGO/CPE、APTS/CPE的电荷转移电阻小于CPE，表明RGO和APTS能有效减小电荷传递电阻。APTS-RGO/CPE(曲线d)的半圆弧直径远小于曲线a、b和c，表明APTS-RGO/CPE的电荷转移电阻最小，这可能是由于APTS和RGO共同作用，加快了电子在电极上的传递速度，从而提高了修饰电极的导电效率。

同时利用模拟等效电路，参考文献[26]，通过电化学阻抗数据进行拟合，得到CPE、 RGO/CPE、APTS/CPE和APTS-RGO/CPE的Ret值分别为13 860、9 874、2 418、1 362 Ω。该结果与交流阻抗测试所得结果相一致：即APTS-RGO/CPE的Ret值最小，表明电子在APTS-RGO/CPE上的电荷传递速率最快，从而进一步说明RGO和APTS的协同作用提高了修饰电极的电荷传递速度及导电效率。

2.2 FUR在不同电极上的电化学行为

在电位窗口 0.2～1.2 V范围内，用0.04 mol/L B-R缓冲溶液作为支持电解质，以扫速50 mV/s研究了3.0×10-4mol/L FUR在CPE(曲线a)、RGO/CPE(曲线b)、APTS/CPE(曲线c)和APTS-RGO/CPE(曲线d)电极上的循环伏安行为。如图4所示，在CPE电极上，FUR的氧化峰电流为4.340 μA；在RGO/CPE修饰电极和APTS/CPE修饰电极上FUR分别出现不可逆氧化峰，峰电流均有不同程度的增大；而在APTS-RGO/CPE复合修饰电极上，氧化峰电流急剧增加到18.83 μA，相比CPE电极增大了3.4倍，氧化峰电位略有负移。进一步表明二者协同作用有利于FUR的电催化氧化效果。

2.3 实验条件影响

在电位窗口 0.2～1.2 V范围内，扫描速率为50 mV/s，以APTS-RGO/CPE为工作电极，分别用NaH2PO4、Na2HPO4、NaCl、Na2SO4、NaAc、CH3COOH、B-R、PBS水溶液为支持电解质对 3.0×10-4mol/L FUR进行CV测试。结果表明，FUR在B-R水溶液中的峰电流大且峰形良好，因此选择0.04 mol/L B-R水溶液作为支持电解质。

在扫描速率为50 mV/s条件下，考察了pH 2.0～6.0范围内的B-R对FUR 伏安行为的影响。结果显示，在pH 2.0～5.0之间，FUR 的氧化峰电流随pH值增大而减小，当pH值大于5时氧化峰电流消失。pH 2.0时，该电极的电催化氧化峰电流最大且峰形良好，所以最佳pH值为2.0。E随pH值增大而降低，且与pH值成正比，其线性方程为E(mV)=1 260-70pH，r=0.995 2,斜率为 70 mV/pH；依据Ep=E-59(m/n)pH可知：m/n≈1，根据文献n=2[17]，计算出m=2。此结果表明FUR在APTS-RGO/CPE上的电化学氧化过程为两电子两质子参与的传递过程。其可能的电化学反应机理为：

运用CV法考察了扫描速率(10～1 000 mV/s)对3.0×10-4mol/L FUR 峰电流和峰电位的影响。结果显示，扫描速率由10 mV/s不断增大时，FUR在APTS-RGO/CPE上的氧化峰电流Ip逐渐增大，且Ip与v1/2成正比，线性方程为Ip(μA)=2.04+1.25v1/2，r=0.996。这表明FUR在 APTS-RGO/CPE电极表面受扩散控制。氧化峰电位也随着扫描速率的增加而增大,Ep与logv成正比，线性方程为Ep(mV)=1 039+85.30 logv(mV/s)，r=0.997。从该直线的斜率得到∂Ep/∂(logv)=85.30 mV。根据完全不可逆扩散控制过程方程[27]：Ep=(blogv)/2+constant，其中b为Tafel斜率，由Ep～logv作图，可得该直线斜率为b/2，即b=2∂Ep/∂(logv)=170.6 mV。依据b=2.303 RT/[(n(1-α)F](T=293 K，n= 2)[17](式中α是电荷传递系数，F是法拉第常数96 485 C/mol)，计算出FUR在APTS-RGO/CPE上α值为0.83。同理可计算出FUR在CPE、RGO/CPE和APTS/CPE上的α值分别为0.75、0.77和0.80。

图 5 FUR在CPE(a)、RGO/CPE(b)、 APTS/CPE(c)、 APTS-RGO/CPE(d)上的计时电流曲线Fig.5 CA curves of CPE(a),RGO/CPE(b), APTS/CPE(c) and APTS-RGO/CPE(d) in 3.0×10-4 mol/L FUR

在3.0×10-4mol/L FUR溶液中对CPE、RGO/CPE、APTS/CPE及APTS-RGO/CPE进行CA测试(见图5)。图5曲线a和b分别为CPE和RGO/CPE在 3.0×10-4mol/L FUR存在下的CA曲线。

根据计时电流公式[28]：IC/IL=λ1/2[π1/2erf(λ1/2)+exp(-λ)/λ1/2]，式中，IC和IL分别表示FUR在RGO/CPE和CPE上的催化电流。λ=kc0t(式中k表示电催化氧化反应速率常数，c0表示FUR初始浓度，t表示催化反应的时间)。当λ> 1.5 时，erf(λ1/2)→1,exp(-λ)/λ1/2→0，表明该催化反应受动力学控制。得出IC/IL=π1/2λ1/2=π1/2(Kc0t)1/2，由上式可计算出k，当t>2.0 ms时，k=(3.38±0.05)×104(mol/L)-1·s-1。同理可计算出FUR在APTS/CPE和APTS-RGO/CPE上的k值分别为(5.21±0.05)×104(mol/L)-1·s-1和(5.81±0.05)×105(mol/L)-1·s-1。通过比较发现，FUR在CPE、RGO/CPE、APTS/CPE以及APTS-RGO/CPE上的k值逐渐增大，并且FUR在APTS-RGO/CPE上的k值最大，进一步表明APTS-RGO/CPE对FUR的电催化氧化效果最佳，这与其在APTS-RGO/CPE上的循环伏安行为一致。

2.4 电分析方法应用

2.4.1实验条件优化首先进行实验条件的优化。固定电势增量为4 mV、振幅为50 mV，脉冲宽度由10 s增加到60 s，结果发现，脉冲宽度由10 s增加到50 s时峰电流逐渐增大，50 s到60 s时峰电流几乎保持不变，故脉冲宽度选择50 s。固定电势增量为4 mV、脉冲宽度50 s，将振幅由50 mV增加到80 mV，结果发现在振幅50～70 mV范围内，峰电流随振幅的增大逐渐增大，70 mV到80 mV时峰电流几乎保持不变，故振幅选择70 mV。固定振幅为70 mV、脉冲宽度50 s，电势增量由4 mV增加到6 mV，结果发现电势增量从4 mV增加至5 mV时峰电流达到最大，5 mV之后峰电流几乎保持不变，故电势增量选择5 mV。因此本实验条件优化为振幅70 mV，电势增量5 mV，脉冲宽度50 s。

2.4.2线性范围与检出限设置电位窗口为0～ 1.2 V，在B-R(pH 2.0)缓冲溶液中采用微分脉冲伏安法(DPV)考察了FUR的氧化峰电流与其浓度的关系。结果表明，FUR在APTS-RGO/CPE上的氧化峰电流(Ip)与其浓度(c，mol/L)呈良好的线性关系，线性方程为Ip(μA)=4.472+128.3c，r=0.997，检出限(LOD,S/N=3)为1.1×10-2mg/L。与文献中的其他电极相比(见表1)，APTS-RGO/CPE修饰电极检测FUR具有线性范围宽、检出限低的特点。

表1 不同修饰电极测定呋塞米的分析性能Table 1 Analytical performance of various electrodes for the determination of FUR

2.4.4电极的重现性与稳定性将本实验制备的APTS-RGO/CPE对相同浓度的FUR平行测定10次，相对标准偏差(RSD)为3.5%，将电极在4 ℃冰箱中保存30 d后进行测定，氧化峰电流变化在误差允许范围内，表明该电极具有良好的重现性和稳定性。

2.4.5样品测定取市售呋塞米片剂10片，混合研磨后，准确称取适量上述药品，加入到100 mL容量瓶中，超声溶解定容后，用标准加入法进行平行定量测定，并计算回收率，测定结果见表2。所测得样品FUR的RSD不大于4.4%，加标回收率为98.5%～99.7%。说明本方法的精密度好、准确度高，可用于实际样品的定量测定。

表2 样品测定结果 (n=6)Table 2 Determination results of the samples(n=6)

3 结 论

本文利用硅烷偶联剂将石墨烯粘合形成了具有纳米片层和孔洞结构的APTS-RGO/CPE修饰电极，增加了反应位点，增强了对FUR的催化效果，并用电化学方法对FUR进行了测定。结果表明FUR在APTS-RGO/CPE上的电化学氧化过程为两电子两质子的传递过程，电荷传递系数为0.83，电催化氧化反应速率常数为(5.81 ± 0.05)×105(mol/L)-1·s-1。并运用DPV法测得FUR在APTS-RGO/CPE上的氧化峰电流Ip与其浓度c在1.3～ 3.3×102mg/L范围内呈良好的线性关系，检出限为1.1×10-2mg/L。据此建立了FUR的电化学定量测定方法。

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Electrocatalytic Behaviors of Furosemide at APTS and Graphene Modified Carbon Paste Electrode and Its Electrochemical Determination

WU Rui1,TIAN Bi-tao2,MA Shao-ning1,CHEN Ji-wen1,GAO Zuo-ning3,4*

(1.College of Petrochemical Engineering,Yinchuan Energy Institute,Yinchuan 750100，China；2.Ningxia Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Yinchuan 750100，China；3.College of Chemistry and Chemical Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021，China；4.Baota Chemical Center Laboratory,Yinchuan 750100，China)

In this paper,the electrochemical behavior of furosemide(FUR) at 3-anminopro-pyltriethoxsilane(APTS) and graphene(RGO) modified carbon paste electrode(APTS-RGO/CPE) was studied.The experimental results indicated that compared with CPE,APTS-RGO/CPE showed a good promotion towards FUR electrochemical oxidation,and the oxidation peak current increased significantly.Cyclic voltammetry(CV) and chronoamperometry(CA) were used to determine the reaction kinetics parameters of FUR on the APTS-RGO/CPE electrode.The relationship between FUR oxidation peak current and its concentration was evaluated by differential pulse voltammetry(DPV).The oxidation peak current of FUR and its concentration has a good linear relationship in the concentration range of 1.3-330 mg/L with the limit of detection(S/N=3) of 1.1×10-2mg/L.The proposed method was successfully applied in the determination of commercial tablet samples,with their relative standard deviations of 0.4%-4.4%and recoveries of 98.5%-99.7%.The results were in accord with the requirement of quantitative detection.

furosemide；3-anminopro-pyltriethoxsilane；graphene；modified carbon paste electrode；electrochemical determination

2017-06-21；

2017-08-22

银川能源学院科研资助项目(2015-KY-Y-01)

*

高作宁，博士，教授，研究方向：电化学与电分析化学，Tel:0951-2062066，E-mail:gaozn@nxu.edu.cn

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.11.007

O657.1

A

1004-4957(2017)11-1333-06