PVP-CdS修饰玻碳电极电化学氧化法测定微量盐酸黄连素

高艺玮，王国胜

（沈阳化工大学 化学工程学院，辽宁 沈阳 110142）

盐酸黄连素又叫盐酸小檗碱，是一种异喹啉类生物碱，具有抗痢、抗菌、治疗心血管疾病等作用［1-5］，疗效显著，副作用小［6］。在盐酸黄连素生产废水中仍含有一定浓度的盐酸黄连素，对环境微生物有很强的毒性［7］。目前我国还没有制药废水中盐酸黄连素的排放标准，生物流化床、臭氧高级氧化、Fenton法、电絮凝等处理工艺对废水中盐酸黄连素的去除率为80%～99%［8-11］，排放废水中仍含有10～200 mg/L的盐酸黄连素，因此，建立一种高效便捷的检测废水中微量盐酸黄连素含量的方法具有十分重要的意义。

目前，盐酸黄连素的检测方法主要有薄层色谱法、高效液相色谱法、高效液相色谱-切换波长法、荧光光谱法、毛细管电泳法等［12-14］，但这些方法所使用的检测仪器较昂贵，检测成本高，耗时长。相比较而言，电化学法具有设备简单、灵敏度高、选择性好等优点，在食品安全管控和环境污染检测中得到广泛应用［15-16］。CdS具有粒径小、比表面积大、表面活性位点多等优点，广泛应用于电催化和电化学分析领域［15］。

本实验采用自制的聚乙烯吡咯烷酮-硫化镉（PVP-CdS）修饰玻碳电极，通过循环伏安法测定盐酸黄连素的峰电流，筛选出最优的工作电极；并通过盐酸黄连素的循环伏安曲线及电化学氧化产物的红外谱图分析推断盐酸黄连素的氧化机理；采用最优工作电极通过差分脉冲伏安法检测废水中的微量盐酸黄连素，绘制出标准曲线，用于测定废水中微量盐酸黄连素。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

盐酸黄连素：纯度99%，购于东北制药股份有限公司；PVP、硫脲、硝酸镉、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、醋酸钠、醋酸、铁氰化钾、乙二醇、无水乙醇、硝酸、丙酮均为分析纯；实验用水为二次蒸馏水。

CHI660E型电化学工作站：上海辰华仪器有限公司；JSM-6360LV 型扫描电子显微镜：日本电子株式会社；Frontier型红外光谱仪：Perkin Elmer公司；5 μL微量进样器：上海高鸽工贸有限公司。

1.2 PVP-CdS的制备

将1.82 g PVP加入50 mL的乙二醇溶液中，在55 ℃恒温磁力搅拌器中搅拌至其完全溶解，再加入2.5 g分散剂，然后逐步加入0.24 g硫脲和0.97 g硝酸镉继续搅拌至其完全溶解。将溶解后溶液加入带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，将反应釜放入马弗炉中于180 ℃条件下反应10 h，反应产物经过滤、水洗、乙醇洗、离心分离、干燥即为PVP-CdS。

1.3 PVP-CdS修饰玻碳电极的制备

用0.05 μm氧化铝将玻碳电极打磨抛光，然后分别用硝酸溶液（硝酸与水体积比为1）、丙酮和二次蒸馏水各超声清洗3 min，除去电极表面的氧化铝抛光粉和其他杂质。用N2将电极表面吹干，备用。称取10 mg PVP-CdS加入到50 mL无水乙醇中，超声处理2 h，使PVP-CdS溶解，用微量进样器吸取5 μL均匀滴涂在上述处理好的玻碳电极表面，放入鼓风干燥箱内，干燥后得到PVP-CdS修饰玻碳电极。

1.4 实验方法

分别采用玻碳电极和PVP-CdS修饰玻碳电极作为工作电极，将1 mol/L醋酸钠溶液和醋酸按比例混合，制备一定pH的醋酸缓冲液。以其配制一定质量浓度的盐酸黄连素溶液作为待测液。设置电压范围为-1.6～0.8 V、扫描速率为50 mV/s，记录循环伏安曲线。改变电化学扫描速率，并记录循环伏安曲线。

采用差分脉冲伏安法，电位增量为0.018 V，记录不同质量浓度的盐酸黄连素溶液的氧化峰电流，制备标准曲线。

1.5 分析测试

采用扫描电子显微镜表征PVP-CdS的微观形貌；通过电化学工作站分析测定修饰电极的氧化峰电流；采用红外光谱仪表征氧化前后盐酸黄连素的红外光谱。

2 结果与讨论

2.1 玻碳电极和PVP-CdS修饰玻碳电极在铁氰化钾溶液中的循环伏安曲线

玻碳电极和以N，N-二甲基甲酰胺作分散剂制备的PVP-CdS修饰玻碳电极在铁氰化钾溶液中的循环伏安曲线见图1。由图1可见：PVP-CdS修饰玻碳电极的峰电流比玻碳电极的峰电流明显提高。电极的电活性面积的计算式（Randles-Sevcik方程）见式（1）。

式中：Ip为峰电流，A；n为电子转移个数；A为电极的电活性面积，cm2；c为反应物浓度，mol/L；D为扩散系数，cm2/s；v为扫描速率，V/s。已知在铁氰化钾溶液中，电子转移个数为1，扩散系数为6.7×10-6cm2/s，扫描速率为50 mV/s，通过计算得到玻碳电极的电活性面积为0.052 cm2，PVP-CdS修饰玻碳电极的电活性面积为0.090 cm2，修饰后电极的电活性面积明显增大，电子的传递速率增强。

2.2 盐酸黄连素在玻碳电极和PVP-CdS修饰玻碳电极上的电化学行为

在醋酸缓冲液pH为6、盐酸黄连素质量浓度为200 mg/L、外加电压为-1.6～0.8 V、扫描速率为50 mV/s的条件下，盐酸黄连素在玻碳电极和以N，N-二甲基甲酰胺作分散剂制备的PVP-CdS修饰玻碳电极上的循环伏安曲线见图2。

图1 玻碳电极和PVP-CdS修饰玻碳电极在铁氰化钾溶液中的循环伏安曲线

由图2可见：盐酸黄连素在玻碳电极循环伏安曲线上有3处微弱的氧化峰，依次出现在外加电压0.005，0.198，0.352 V处，对应的峰电流分别为1.587，1.652，1.393 μA；盐酸黄连素在PVP-CdS修饰玻碳电极上有3处明显的氧化峰，依次出现在外加电压-0.017，0.214，0.413 V处，对应的峰电流分别为3.299，4.461，3.642 μA。可见，PVP-CdS修饰玻碳电极对盐酸黄连素的响应较玻碳电极有明显增强，这是因为修饰后电极的比表面积增大，表面活性位点增多，导电性和电催化性能增强。

图2 盐酸黄连素在玻碳电极和PVP-CdS修饰玻碳电极上的循环伏安曲线

2.3 不同分散剂制备的PVP-CdS修饰玻碳电极上盐酸黄连素的电化学行为

加入不同分散剂制备的PVP-CdS的SEM照片见图3。由图3a可见，未加分散剂制备的PVP-CdS粒子粒径较大且颗粒分布不均。由图3b可见，加入N-甲基乙酰胺为分散剂制备的PVP-CdS粒子粒径明显变小，颗粒间有黏结。由图3c可见，加入N，N-二甲基甲酰胺为分散剂制备的PVP-CdS粒子粒径可达250 nm，且颗粒分布均匀，颗粒之间很少有黏结。

图3 加入不同分散剂制备的PVP-CdS的SEM照片

在醋酸缓冲液pH为6、盐酸黄连素质量浓度为200 mg/L、外加电压为-1.6～0.8 V、扫描速率为50 mV/s的条件下，盐酸黄连素在PVP-CdS修饰玻碳电极上的循环伏安曲线见图4。由图4可见：在外加电压为0，0.2，0.5V处均有明显的氧化峰，其中N，N-二甲基甲酰胺为分散剂所制备电极的氧化峰最高。故本实验选择N，N-二甲基甲酰胺为分散剂制备的PVP-CdS材料制备修饰电极。

2.4 扫描速率对盐酸黄连素电化学行为的影响

在醋酸缓冲液pH为6、盐酸黄连素质量浓度为200 mg/L、外加电压为-1.6～0.8 V、不同扫描速率条件下，盐酸黄连素在N，N-二甲基甲酰胺为分散剂制备的PVP-CdS修饰玻碳电极上的循环伏安曲线见图5。由图5可见：峰电流随扫描速率增加而增大；扫描速率在10～200 mV/s范围内，盐酸黄连素的Ip与v的平方根呈线性关系，线性回归方程为表明盐酸黄连素在PVP-CdS修饰玻碳电极上的氧化反应受扩散过程控制［17］。

2.5 盐酸黄连素电化学氧化的机理

在外加电压为-1.6～1.0 V、盐酸黄连素质量浓度为200 mg/L、扫描速率为200 mV/s的条件下，缓冲溶液pH对氧化峰电位（Ep）的影响见图6。由图6可见，在缓冲溶液pH为3.5～6.1范围内，氧化峰电位与缓冲溶液pH（x）呈线性关系，线性回归方程为Ep=-0.027 1x+0.445 7（R2=0.992 6），表明有质子参与电极反应［18］。

图4 盐酸黄连素在PVP-CdS修饰玻碳电极上的循环伏安曲线

通过对结构相似的胡椒环、1，2-二甲氧基苯进行循环伏安测试，发现在相同的电压位置也出现了类似的氧化峰，于是断定盐酸黄连素的氧化位置是9号位和亚甲基位。氧化前后盐酸黄连素的红外光谱图见图7。

图6 缓冲溶液pH对Ep的影响

图7 氧化前后盐酸黄连素的红外光谱图

由图7可见：3 429cm-1处为N—H键的振动吸收峰，1 634cm-1处为C=N的吸收峰，证明有亚胺盐结构的存在；2 923cm-1和2 852cm-1处为亚甲基的吸收峰，氧化后亚甲基的吸收峰较氧化前减弱，证明盐酸黄连素亚甲基位置开环；1 399cm-1处为—CH3中C—H的弯曲振动峰，氧化后振动峰较氧化前明显减弱，证明盐酸黄连素甲氧基位置脱甲基；3 500～3 200cm-1处有较宽的分子间氢键O—H吸收峰，证明体系中有羟基存在。由此推断循环伏安图上的3处氧化峰可能是盐酸黄连素上的9号位的甲氧基脱甲基化、亚甲基的开环和脱甲基化而形成的。

盐酸黄连素的氧化过程推断式如下。

根据盐酸黄连素的循环伏安曲线图中3个连续的氧化峰可推断盐酸黄连素的氧化是一个级联的过程［19］，在这个电化学氧化过程中质子也参与了反应：第一步，9号位甲氧基的甲基脱掉生成羟基，这一过程有一质子一电子参与反应；第二步，亚甲基开环生成羟基和甲氧基，这一过程有两质子两电子参与反应；第三步，亚甲基脱掉生成两羟基，这一过程有一质子一电子参与反应。

2.6 方法的线性范围和检出限

通过循环伏安曲线的分析，盐酸黄连素的氧化电位出现在0～1.0 V之间，所以采用差分脉冲伏安法截取0.5～1.4 V之间的区域，测定盐酸黄连素的质量浓度。在缓冲溶液pH为6、电位增量为0.018 V的条件下，采用差分脉冲伏安法测定不同质量浓度的盐酸黄连素在PVP-CdS修饰玻碳上的峰电流，绘制标准曲线，见图8。由图8可见：在盐酸黄连素质量浓度为1～200 mg/L范围内，盐酸黄连素质量浓度（ρ）与Ip呈现良好的线性关系，线性回归方程为Ip=0.37ρ+51.877（R2=0.994 3），检出限为0.15 mg/L，说明该PVP-CdS修饰玻碳电极对盐酸黄连素测定的线性范围宽，检出限低。

图8 不同质量浓度的盐酸黄连素在PVP-CdS修饰玻碳上的Ip标准曲线

2.7 方法的重现性

对相同质量浓度的盐酸黄连素溶液进行10次平行测定，盐酸黄连素的氧化峰电流值偏差为5%，表明该PVP-CdS修饰玻碳电极测定盐酸黄连素质量浓度的重现性良好。

3 结论

a） 通过扫描电镜分析由N，N-二甲基甲酰胺为分散剂制备的PVP-CdS粒子粒径可达250 nm，且颗粒分布均匀，颗粒之间很少有黏结。

b）PVP-CdS修饰玻碳电极对盐酸黄连素的响应较玻碳电极有明显增强，因为修饰后电极的比表面积增大，表面活性位点增多。盐酸黄连素的Ip与v的平方根呈线性关系，说明盐酸黄连素在PVP-CdS修饰玻碳电极上的氧化反应受扩散过程控制。

c）盐酸黄连素的电化学氧化是其9号位的甲氧基脱甲基化、亚甲基的开环和脱亚甲基化的过程。

d）当外加电压为0.5～1.4 V、电位增量为0.018 V、缓冲溶液pH为6时，盐酸黄连素质量浓度在1～200 mg/L范围内与Ip呈良好的线性关系，检出限为0.15 mg/L。