曲有鵬，呂江維，馮玉杰，張杰

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076)

青霉素是臨床上廣泛使用的一類(lèi)抗生素，由于頻繁超劑量的使用，已引起嚴(yán)重的環(huán)境污染，嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康[1-4]。因此對(duì)青霉素類(lèi)抗生素的檢測(cè)及分析十分必要。硼摻雜金剛石(BDD)薄膜電極是一種理想的電極材料，背景電流很小，靈敏度較高，用于電化學(xué)分析時(shí)利于研究一些目標(biāo)物在較高或較低電位下的氧化還原反應(yīng)[5-9]。因此BDD電極在電化學(xué)分析中具有一定的優(yōu)勢(shì)。本文以典型的青霉素為目標(biāo)物，采用循環(huán)伏安法(CV)和電化學(xué)交流阻抗譜(EIS)來(lái)研究青霉素在BDD電極上電化學(xué)過(guò)程及電極動(dòng)力學(xué)參數(shù)，探討相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理，對(duì)BDD電極用于電化學(xué)分析抗生素類(lèi)藥物具有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

氫氣(純度99.999%)；甲烷(純度99.999%);硼酸三甲酯、無(wú)水Na2SO4均為分析純;青霉素G鈉(1 650 U/mg)。

PARSTAT2273電化學(xué)工作站。Pt電極；Ti板；Ag/AgCl參比電極。

1.2 BDD電極制備

采用直流等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備進(jìn)行高壓輝光放電，利用反應(yīng)氣體氫氣(并以氫氣為載氣將硼酸三甲酯帶入腔體內(nèi))和甲烷進(jìn)行反應(yīng)解離，將碳原子沉積于基體材料單晶硅片表面，控制電壓、溫度、氣源比例等的參數(shù)沉積得到BDD薄膜[10]。

1.3 電化學(xué)分析方法

電化學(xué)分析方法采用CV和EIS，測(cè)試在PARSTAT2273電化學(xué)工作站上進(jìn)行，選用三電極體系(其中工作電極：BDD電極，對(duì)電極：Pt電極，參比電極：Ag/AgCl電極)。配制濃度為2.0 g/L的青霉素G鈉溶液(含0.1 mol/L的Na2SO4為電解質(zhì))。CV測(cè)試的掃描電勢(shì)范圍是-1.5～2.5 V(vs.Ag/AgCl)，從開(kāi)路電位(OCP)開(kāi)始正向掃描至2.5 V，再負(fù)向掃描至-1.5 V，掃描速率分別為5,10,20,50,80,100 mV/s。EIS測(cè)試頻率范圍為10-2～104Hz，交流電的振幅為5 mV，極化電位分別為OCP和1.2，1.5，1.8，2.0，2.1，2.2，2.3，2.4，2.5 V(vs.Ag/AgCl)，數(shù)據(jù)采用ZSimpWin 3.10 軟件結(jié)合選取的適宜的等效電路進(jìn)行各電化學(xué)元件阻抗參數(shù)的擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)伏安CV測(cè)試

圖1是在青霉素G鈉溶液中掃描速率為20 mV/s,掃描5圈的CV曲線(xiàn)。

圖1 青霉素G鈉溶液中BDD電極的CV測(cè)試

由圖1可知，掃描第1圈時(shí)出現(xiàn)了較強(qiáng)的氧化峰，氧化峰電位為2.2 V，峰電流為0.4 mA，在隨后的第2～5圈時(shí)氧化峰變小，說(shuō)明電極表面有中間產(chǎn)物的吸附引起的鈍化現(xiàn)象。前期在研究苯酚在BDD電極上的電化學(xué)行為時(shí)也出現(xiàn)了聚合物形成的薄膜吸附在電極表面使氧化峰電流減小[11]。但對(duì)使用后吸附鈍化的BDD電極，在大于H2O的電解電勢(shì)下持續(xù)通電氧化后電極表面可以自清潔恢復(fù)原來(lái)的活性。對(duì)青霉素G鈉負(fù)向掃描時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)還原峰，說(shuō)明青霉素G鈉在電極上的電化學(xué)氧化過(guò)程為不可逆過(guò)程。

由于電極在掃描多次后有鈍化現(xiàn)象，為了提高測(cè)試的靈敏度響應(yīng)性，因此對(duì)不同掃描速率條件下的CV曲線(xiàn)取第1圈的掃描結(jié)果，且每次掃描后均對(duì)電極表面進(jìn)行清潔活化。圖2是掃描速率為5，10，20，50，80，100 mV/s的CV曲線(xiàn)。

圖2 青霉素G鈉溶液中BDD電極在不同掃描速率的CV測(cè)試

由圖2可知，不同掃描速率下，青霉素G鈉的氧化峰電流隨掃描速率的提高而增大，氧化峰電位也出現(xiàn)正移現(xiàn)象。

2.2 電化學(xué)阻抗譜EIS

對(duì)不同電位條件下青霉素G鈉在BDD電極上的EIS進(jìn)行測(cè)試，得到的Bode圖見(jiàn)圖3。

圖3 青霉素G鈉在不同電位下的Bode圖

由圖3可知，Bode圖所有曲線(xiàn)都只有1個(gè)峰值，說(shuō)明有1個(gè)時(shí)間常數(shù)，因此擬合選擇的等效電路應(yīng)該有1個(gè)電容元件。所以利用圖5含有一個(gè)電容元件的兩種等效電路進(jìn)行擬合，將測(cè)試得到Nyquist圖和相應(yīng)擬合曲線(xiàn)進(jìn)行比較(如圖5所示)，并將擬合得到的等效電路各元件的參數(shù)值列于表1中。

由于存在“彌散效應(yīng)”，Nyquist圖(圖5)中的圓弧并不是標(biāo)準(zhǔn)的半圓軌跡，而是略有偏離半圓的軌跡，這可能與電極表面的不均勻性、電極表面的吸附層劑溶液導(dǎo)電性差有關(guān)，因此用常相位角元件代替了純電容，以獲得更好的擬合結(jié)果[12-14]。

圖5 青霉素G鈉在不同電位下的Nyquist圖及擬合曲線(xiàn)

由表1可知，不同電位下溶液電阻Rs的平均值為(131.2±7.5) Ω·cm2，圖5(a)～(c)分別對(duì)應(yīng)OCP、1.2 V及1.5 V時(shí)的Nyquist圖，OCP為平衡電位，此時(shí)不發(fā)生氧化還原反應(yīng)；Nyquist圖為一個(gè)高頻端的容抗弧緊接著一個(gè)斜率角約為π/4的Waburg阻抗直線(xiàn)，因此按照Rs(Q(RctW))的等效電路擬合(圖4(a))，擬合得到的誤差也最小，對(duì)應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct由4.193×104Ω·cm2(OCP)降至3 776 Ω·cm2(1.5 V)，韋伯阻抗Zw由2.358×10-5S·s0.5/cm2(OCP)增加至7.98×10-4S·s0.5/cm2(1.5 V)，說(shuō)明該電位范圍內(nèi)電荷傳遞動(dòng)力學(xué)不是很快，電極過(guò)程由電荷傳遞過(guò)程和擴(kuò)散過(guò)程共同控制，電化學(xué)極化與濃差極化同時(shí)存在。圖5(d)～(j)對(duì)應(yīng)1.8～2.5 V時(shí)的Nyquist圖，此時(shí)的阻抗圖為不同直徑的圓弧，此電位范圍內(nèi)發(fā)生了青霉素G鈉的氧化反應(yīng)，此時(shí)電極過(guò)程由電荷傳遞過(guò)程控制，沒(méi)有擴(kuò)散過(guò)程引起的阻抗，因此按照Rs(QRct)的等效電路擬合，擬合的誤差最小。電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct先從3 776 Ω·cm2(對(duì)應(yīng)1.8 V)降至316.8 Ω·cm2(對(duì)應(yīng)2.1 V)，又增加至631.9 Ω·cm2(對(duì)應(yīng)2.2 V)，再降低至270.4 Ω·cm2(對(duì)應(yīng)2.5 V)。在2.2 V出現(xiàn)Rct的峰值的原因可能與該電位條件下除了青霉素的氧化反應(yīng)外，還有H2O在電極上的電解反應(yīng)，產(chǎn)生·OH并進(jìn)一步生成O2有關(guān)[15-16]。

圖4 EIS擬合的等效電路

表1 青霉素G鈉在不同電位下等效電路的擬合結(jié)果

3 結(jié)論

青霉素G鈉在BDD電極上的電化學(xué)過(guò)程為不可逆過(guò)程，只有氧化峰出現(xiàn)，峰電位為2.2 V，沒(méi)有還原峰出現(xiàn)。氧化的中間產(chǎn)物在電極表面有吸附，導(dǎo)致氧化峰電位逐漸降低。但在高于水分解電壓下電解中間產(chǎn)物，電極能夠恢復(fù)原來(lái)的活性。當(dāng)電極電位在OCP至1.5 V時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct由4.193×104 Ω·cm2(OCP)降至3 776 Ω·cm2(1.5 V)，韋伯阻抗Zw由2.358×10-5 S·s0.5/cm2(OCP)增加至7.98×10-4 S·s0.5/cm2(1.5 V)，電極過(guò)程主要受電荷傳遞過(guò)程和擴(kuò)散過(guò)程共同控制，電化學(xué)極化與濃差極化同時(shí)存在。當(dāng)電極電位在1.8～2.5 V時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct先從3 776 Ω·cm2(對(duì)應(yīng)1.8 V)降至316.8 Ω·cm2(對(duì)應(yīng)2.1 V)，又增加至631.9 Ω·cm2(對(duì)應(yīng)2.2 V)，再降低至270.4 Ω·cm2(對(duì)應(yīng)2.5 V)，在2.2 V出現(xiàn)Rct的峰值的原因可能與該電位條件下除了青霉素的氧化反應(yīng)外，還有H2O在電極上的電解反應(yīng)，產(chǎn)生·OH并進(jìn)一步生成O2有關(guān)，電極過(guò)程主要由電荷傳遞過(guò)程控制。