1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 57, № 4, 2021

Электрохимия, 2021, T. 57, № 4, стр. 256-262

Электрохимическое поведение метимазола на стеклоуглеродном электроде, модифицированном Au–C

Ж. Лиу a, Л.-Т. Ма a, А.-С. Лин a, М. Лв a, Ф.-Д. Кон a, *, Ж. Ван a, **

a Медицинский Университет Жинин
276826 Жичжао, КНР

* E-mail: jykfd@126.com
** E-mail: wangjun@mail.jnmc.edu.cn

Поступила в редакцию 22.04.2020
После доработки 14.07.2020
Принята к публикации 03.09.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Наночастицы Au/XC-72 были приготовлены с помощью полиольного процесса при воздействии СВЧ-излучения и использованы в качестве активного материала для определения метимазола. Электрод, модифицированный наночастицами Au/XC-72, демонстрирует прекрасную электрокаталитическую активность в реакции электроокисления метимазола. На циклических вольтамперограммах метимазола имеется две пары хорошо выраженных квазиобратимых окислительно-восстановительных пика тока. Окисление метимазола на электроде, модифицированном наночастицами Au/XC-72, – это одноэлектронный процесс, контролируемый диффузией. Для определения метимазола использована амперометрия при заданном потенциале. Получена линейная зависимость анодного тока от концентрации метимазола в области концентраций 19.9–100.91 мкM.

Ключевые слова: метимазол, нанокатализатор, вольтамперометрическое поведение

ВВЕДЕНИЕ

Метимазол (1-метил-2-меркаптоимидазол), известный также как табазол, – это одно из антитиреоидных средств на основе тиомочевины, применяемое при лечении гипертиреоза (синдрома, обусловленного повышением активности щитовидной железы). Сообщалось [1, 2], что метимазол может вызывать некоторые побочные эффекты, обусловленные его таутомерией (рис. 1), такие как раздражение кожи, повреждение лейкоцитов, ослабление вкуса и обоняния, аллергия и фарингит, сопровождающиеся лихорадкой, а в редких случаях – цирроз печени и нефрит. Поэтому очень важно разработать чувствительный метод определения содержания метимазола. Традиционный метод такого определения, согласно Chinese Pharmacopoeia, – это метод замещения с нейтрализацией [3], осаждение нитрата серебра. Однако, такое определение весьма сложно и времязатратно, подвержено помехам со стороны многочисленных веществ и представляет трудности при определении конечной точки. В настоящее время основными способами обнаружения метимазола являются: жидкостная хроматография высокого разрешения [4], высокоскоростной капиллярный электрофорез [5], спектрофотомерия [6] и хроматографический анализ [7, 8]. Однако у них много недостатков, таких как трудоемкость и большая продолжительность полного цикла анализа. Так что необходим высокоэффективный метод определения метимазола, отвечающий на запросы фармацевтики.

Рис. 1.

Таутомерные структуры метимазола.

Недавно для определения метимазола был применен электрохимический метод. Его преимущества – простота, быстрота, дешевизна, легкость операций и высокая чувствительность [9‒20]. Насколько нам известно, имеется очень мало публикаций относительно электроаналитического определения метимазола на обычных твердых электродах с чистой поверхностью, таких как платина [9], допированный фтором оксид олова [10] и стеклоуглерод [11]. Причина этого, по-видимому, в том, что непосредственному электроокислению сульфгидрильной группы (‒SH) метимазола может препятствовать высокое анодное перенапряжение и, как следствие, низкий вольтамперометрический ток. Для того, чтобы получить более чувствительный электрический сигнал, были затрачены большие усилия [12–20] в поисках новых материалов для модифицирования электродов, которые бы облегчили окисление метимазола и повысили чувствительность его определения.

Насколько нам известно, в литературе редко рассматривается электрохимическое поведение метимазола на наночастицах Au или содержащих их композитах. В настоящей работе приготовлены наночастицы Au на саже XC-72, которые были использованы в качестве активного материала для определения метимазола. Использованный нами электрохимический метод позволил получить и исследовать линейное соотношение между концентрацией метимазола и токовым откликом. Показано, что нанокатализатор Au/XC-72 позволяет получить хороший электрохимический отклик метимазола с высокой чувствительностью и разработать метод определения метимазола.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Реактивы и оборудование

HAuCl4·3H2O была приобретена у компании Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. (Шанхай, КНР). Порошок чистого метимазола был приобретен у компании Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Шанхай, КНР), сажа Vulcan XC-72 – у компании Carbot (Шанхай, КНР), а раствор нафиона (5.0 вес. %) – у компании Dupond (США). Все остальные реактивы в настоящей работе имели квалификацию “ч. д. а.” и использовались без дополнительной очистки. Все растворы готовили на сверхчистой воде (MiliQ Milipore, 18.2 MОм cм).

Все вольтамперометрические измерения выполнены на электрохимическом комплексе CHI760E (Шанхай, КНР). Все эксперименты проводили в трехэлектродной электрохимической ячейке. Рабочим был стеклоуглеродный электрод, с чистой поверхностью или модифицированный, с площадью поверхности 0.07065 cм2; вспомогательный электрод – платиновая пластинка; насыщенный каломельный электрод (НКЭ) служил электродом сравнения.

Все эксперименты выполнены при комнатной температуре.

Приготовление нанокатализатора Au/XC-72

Катализатор из наночастиц Au/XC-72 был приготовлен с помощью полиольного процесса при воздействии СВЧ-излучения [18, 21]. Вкратце, 80 мг сажи Vulcan XC-72 диспергировали под действием ультразвука в 20 мл глицерина и 5 мл изопропанола в течение 1 ч. Затем в полученный раствор добавляли 10 мл глицерина и 2.5 мл изопропанола за 40 мин при интенсивном помешивании. После этого к смеси добавляли 2.1 мл 0.04853 M раствора HAuCl4/этиленгликоль, 10 мл глицерина и 2.5 мл изопропанола и перемешивали в течение 1 ч. Величину pH доводили до 12, прибавляя по каплям 0.5 М раствор NaOH/этиленгликоль. После перемешивания в течение 3 ч, при пробулькивании азота в течение 15 мин, смеси давали прореагировать в СВЧ-реакторе за 60 с при 135°C. После остывания раствора до комнатной температуры величину его pH устанавливали между 2 и 3 с помощью 0.5 М раствора HNO3, за чем следовало перемешивание в течение 12 ч. Смесь фильтровали, осадок промывали сверхчистой водой, затем сушили в вакуумной печи при 80°C в течение 6 ч. В итоге получали продукт, наночастицы Au/XC-72.

Приготовление стеклоуглеродного электрода, модифицированного Au/XC-72

Перед модифицированием стеклоуглеродный электрод с чистой поверхностью полировали пастой оксида алюминия (зерно 50 нм) до зеркального блеска, затем промывали абсолютным спиртом и сверхчистой водой в ультразвуковой ванне в течение 30 с и сушили. 2.0 мг наночастиц Au/XC-72 диспергировали в 100 мкл водно-спиртовой смеси (1 : 1 по объему) в ультразвуковой ванне для получения однородных “чернил”. Каплю (5 мкл) “чернил” наносили на поверхность свежеприготовленного стеклоуглеродного электрода, после чего добавляли к ней 5 мкл раствора нафиона (0.5 вес. %) в этаноле для фиксации на поверхности стеклоуглерода.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Характеристики наночастиц Au/XC-72

На рис. 2 дана рентгеновская дифрактограмма наночастиц Au/XC-72 в интервале 2θ от 15° до 90°. Широкие дифракционные пики при 25.01° и 43.17° относятся к саже Vulcan XC-72. Узкие дифракционные пики при 38.21°, 44.55°, 65.04°, 77.93° и 83.22° хорошо сочетаются с плоскостями {111}, {200}, {220}, {311} и {222} Au (JCPDS card No. 65-2870), указывая на существование единственной гранецентрированной (fcc) кубической кристаллографической структуры. Расстояние d равняется приблизительно 2.354 Å, а средний размер кристаллитов, вычисленный по дифракционному пику плоскости {111} с использованием уравнений Брэгга и Шеррера, – около 6.640 нм.

Рис. 2.

Рентгеновская дифрактограмма наночастиц Au/XC-72.

Вольтамперометрическое поведение метимазола

На рис. 3a показаны циклические вольтамперограммы метимазола на стеклоуглеродных электродах, с чистой поверхностью и модифицированном наночастицами Au/XC-72, в фосфатном буферном растворе (pH 6.98) с KCl в качестве индифферентного электролита. Из рис. 3a видно, что в чистом фосфатном буферном растворе (кривая 3) и на электроде с чистой поверхностью (кривая 2) не наблюдается сколько-нибудь выраженных пиков тока. Однако на электроде, модифицированном наночастицами Au/XC-72, видны две пары хорошо выраженных окислительно-восстановительных пика тока метимазола (кривая 1). Анодные пики расположены при потенциалах 0.204 и 0.511 В, катодные – при 0.091 и 0.480 В. Значения ΔEp для этих двух пар пиков равняются, соответственно, 113 и 31 мВ, отношение окислительного и восстановительного пиковых токов (Ipa/Ipc) равно 1.13 (т.е., приблизительно, 1), и это указывает на то, что рассматриваемый процесс – квазиобратимый. Если сравнить стеклоуглеродный электрод, модифицированный наночастицами Au/XC-72, с электродом с чистой поверхностью, то видно, что вольтамперометрический отклик метимазола на модифицированном электроде гораздо сильнее, а резкий анодный пик при 0.204 указывает на то, что наночастицы Au – эффективный катализатор электроокисления метимазола. Из рис. 3б видно, что пиковый ток окисления слегка уменьшается после первого скана, а затем остается практически неизменным, что может быть связано с некоторым деактивированием электрода после первого цикла.

Рис. 3.

Циклические вольтамперограммы 100 мкМ метимазола, снятые при скорости развертки потенциала 50 мВ с–1 в фосфатном буферном растворе на различных электродах (a); (б) первые три последовательно снятые вольтамперограммы метимазола.

Для лучшего понимания механизма окисления метимазола на стеклоуглеродном электроде, модифицированном наночастицами Au/XC-72, мы снимали циклические вольтамперограммы 100 мкМ раствора метимазола при различной скорости развертки потенциала (рис. 4a). Кривые 1–5 соответствуют скоростям развертки потенциала, соответственно, 30, 50, 80, 100 и 200 мВ/с. Ясно, что токи процессов и окисления, и восстановления увеличиваются с ростом скорости развертки потенциала. При этом получены линейные зависимости между величинами тока (Ipa и Ipc) и скорости развертки потенциала (v), а также корня квадратного из скорости развертки потенциала (v1/2) (рис. 4б и 4в); соответствующие данные приведены в табл. 1. Как следует из рисунка и таблицы, графики токов (Ipa и Ipc) в зависимости от скорости развертки потенциала (v), а также в зависимости от корня квадратного из скорости развертки потенциала (v1/2) показывают хорошую линейность. Пиковые токи пропорциональны скорости развертки потенциала или корню квадратному из скорости развертки потенциала. Коэффициент корреляции (R2) для зависимости Ipa от корня квадратного из скорости развертки потенциала (v1/2) достиг 0.9942, что указывает на то, что электродная реакция контролируется главным образом диффузией. Для того, чтобы получить информацию о числе перенесенных электронов (n) в процессе окисления метимазола, мы определяли величину n, используя следующее уравнение при комнатной температуре (25°C):

${{W}_{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}} = \frac{{2.24}}{{\alpha nF}} = \frac{{62.5}}{{\alpha n}}.$
Здесь W1/2, полуширина пика тока окисления на циклической вольтамперограмме, равняется 95 мВ. Обычно принимают значение коэффициента переноса α квазиобратимых реакций равным 0.5 [23]. Тогда получаем значение n (1.32 ≈ 1). Таким образом, окисление метимазола на электроде, модифицированном Au/XC-72, – это процесс переноса одного электрона. Мы также исследовали влияние величины pH фосфатного буферного раствора (рис. 5). С ростом рН потенциал анодного пика тока сдвигается к отрицательным значениям, а катодного – к положительным, указывая на то, что в электродном процессе участвуют протоны.

Рис. 4.

(а) Циклические вольтамперограммы 100 мкМ метимазола, снятые при различной скорости развертки потенциала в фосфатном буферном растворе (pH 6.98); (б) график зависимости пиковых токов от скорости развертки потенциала; (в) график зависимости пиковых токов от корня квадратного из скорости развертки потенциала.

Таблица 1.

Линейное соотношение между пиковыми токами и скоростью развертки потенциала и корнем квадратным из скорости развертки потенциала

Ipa–v R2 Линейное уравнение
0.9799 Ipa = 0.1305v + 1.9672
Ipa–v1/2 R2 Линейное уравнение
0.9942 Ipa = 2.6297v1/2 – 10.0304
Ipc–v R2 Линейное уравнение
0.9603 Ipc = 0.1538v + 1.1604
Ipc–v1/2 R2 Линейное уравнение
0.9790 Ipc = 3.1057v1/2 – 13.0343
Рис. 5.

Циклические вольтамперограммы 100 мкМ метимазола, снятые при значениях pH от 5.60 до 7.17 при скорости развертки потенциала 50 мВ с–1 в фосфатном буферном растворе.

В настоящее время появляется ограниченное число публикаций, относящихся к электрохимическому поведению метимазола на наночастицах Au или их композитах. Идентифицирован механизм реакций, соответствующих пикам окислительно-восстановительного тока. На основе вышеприведенных данных и результатов аналогичных предшествующих исследований окисления метимазола на различных электродах [2, 11, 13, 15, 20–22, 24, 25] мы заключили, что эта реакция – двухстадийная. Первая стадия, как показано на рис. 6, – это окисление сульфгидрильной группы в таутомерных структурах метимазола, молекула которого теряет один электрон и дает радикал с серой в центре, что соответствует окислительно-восстановительным пикам тока на циклических вольтамперограммах при, приблизительно, 0.2 В. Вторая стадия – это реакция двух таких радикалов между собой с образованием дисульфидного мостика между двумя молекулами метимазола, что соответствует окислительно-восстановительным пикам при, приблизительно, 0.5 В.

Рис. 6.

Предлагаемый механизм окисления метимазола на наночастицах Au.

Калибровочное уравнение для определения метимазола

Поскольку метод амперометрии при фиксированном потенциале проще и обычно чувствительнее циклической вольтамперометрии [15, 20], то для определения метимазола мы использовали именно амперометрический метод (снятие кривых i–t). Был выбран фиксированный потенциал 0.20 В (НКЭ). Записывали токовый отклик во времени после добавления через каждые 100 с 1 мл 1.0 М раствора метимазола к фосфатному буферному раствору, содержащему 10 мкМ метимазол. Как показано на рис. 7a, после каждого добавления метимазола наблюдается ясный токовый отклик, который указывает на то, что электрод, модифицированный Au/XC-72, быстро и с большой чувствительностью откликается на метимазол. Токовый отклик (рис. 7a) был отложен на графике против концентрации метимазола (рис. 7б). Видно, что между этим током и концентрацией метимазола существует линейная связь в области 19.9–100.91 мкM, с уравнением линейной регрессии y = 0.1849x + 0.7979 (R2 = = 0.9899). Наименьшая определяемая концентрация, основанная на отношении сигнал : шум (S/N = 3), равняется 6.12 мкM.

Рис. 7.

Амперометрический отклик метимазола на электроде, модифицированном Au/XC-72 (a); калибровочная кривая, построенная на основе амперограмм (б).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наночастицы Au были приготовлены с помощью полиольного процесса при воздействии СВЧ-излучения и использованы в качестве активного материала для определения метимазола. На циклических вольтамперограммах метимазола имеется две пары хорошо выраженных квазиобратимых окислительно-восстановительных пиков тока. Окисление метимазола на наночастицах Au – это одноэлектронный процесс, контролируемый диффузией. Получена линейная зависимость анодного тока от концентрации метимазола в области концентраций 19.9–100.91 мкM, с уравнением линейной регрессии y = 0.1849x + + 0.7979 (R2 = 0.9899). Электрод, модифицированный наночастицами Au, демонстрирует прекрасную электрокаталитическую активность в окислении метимазола.

Список литературы

  1. Karim-Nezhad, G., Khorablou, Z., and Dorraji, P.S., A promising electrochemical sensing platform based on copper nanoparticles-decorated polymer in carbon nanotube electrode for monitoring methimazole, J. Iranian Chem. Soc., 2018, vol. 15, p. 905.

  2. Seyidahmet, S., Dömez, F., and Yardim, Y., Simple, rapid and sensitive electrochemical determination of antithyroid drug methimazole using a boron-doped diamond electrode, J. Iranian Chem. Soc., 2019, vol. 16, p. 913.

  3. Chinese Pharmacopoeia Commission, Pharmacopoeia of the People’s Republic of China (2015 edition, 2nd part), Beijing: Chinese Medical Science and Technology Press, 2015, p. 220.

  4. Pan, M.F., Wang, J.P., and Fang, G.Z., Synthesis and characterization of molecularly imprinted polymer and its application as SPE enrichment sorbent for determination of trace methimazole in pig samples using HPLC-UV, J. Chromatogr. B, 2010, vol. 878, p. 1531.

  5. Altria, K.D., Determination of drug-related impurities by capillary electrophoresis, J. Chromatogr. A, 1996, vol. 735, p. 43.

  6. Da Silva, J.C., Suarez, W.T., and Franco, M.O.K., Flow injection spectrophotometric determination of methimazole in pharmaceuticals using a charge transfer complex Cu(I) a euro neocuproine, J. Anal. Chem., 2018, vol. 73, p. 243.

  7. Kuśmierek, K. and Bald, E., Determination of methimazole in urine by liquid chromatography, Talanta, 2007, vol. 71, p. 2121.

  8. Amjadi, M., Hallaj, T., and Asadollahi, H., Facile synthesis of carbon quantum dot/silver nanocomposite and its application for colorimetric detection of methimazole, Sensors and Actuators B: Chemical, 2017, vol. 244, p. 425.

  9. Aslanoglu, M. and Peker, N., Potentiometric and voltammetric determination of methimazole, J. Pharm. Biomed. Anal., 2003, vol. 33, p. 1143.

  10. Molero, L., Faundez, M., and Del Valle, M.A., Electrochemistry of methimazole on fluorine-doped tin oxide electrodes and its square-wave voltammetric determination in pharmaceutical formulations, Electrochim. Acta, 2013, vol. 88, p. 871.

  11. Jalali, F. and Hatami, Z., Fast electrocatalytic determination of methimazole at an activated glassy carbon electrode, Iranian J. Pharm. Reactions, 2016, vol. 15, p. 735.

  12. Wang, Y.Z., Electrochemical determination of methimazole based on the acetylene black/chitosan film electrode and its application to rat serum sample, Bioelectrochemistry, 2011, vol. 81, p. 86.

  13. Kutluay, A. and Alslanoglu, M., Multi-walled carbon nanotubes/electro-copolymerized cobalt nanoparticles-poly (pivalic acid) composite film coated glassy carbon electrode for the determination of methimazole, Sens. Actuat. B: Chem., 2012, vols. 171–172, p. 1216.

  14. Norouzi, P., Gupta, V.K., and Larijani, B., A new methimazole sensor based on nanocomposite of CdS NPs-RGO/IL-carbon paste electrode using differential FFT continuous linear sweep voltammetry, Talanta, 2014, vol. 127, p. 94.

  15. Dorraji, P.S. and Jalali, F., Sensitive amperometric determination of methimazole based on the electrocatalytic effect of rutin/multi-walled carbon nanotube film, Bioelectrochemistry, 2015, vol. 101, p. 66.

  16. Nisanci, F.B. and Yilmaz, B., Electrochemically grown bismuth(III) oxide nanoparticles on gold as sensor for quantification of methimazole, Rev. Roumaine Chimie, 2018, vol. 63, p. 941.

  17. Nezhadali, A., Mehri, L., and Shadmehri, R., Determination of methimazole based on electropolymerized-molecularly imprinted polypyrrole modified pencil graphite sensor, Mater. Sci. Eng. C-Mater. Biol. Appl., 2018, vol. 85, p. 225.

  18. Chen, S., Liu, J., and Shi, M.J., Preparation of Au@Ir/C as sensor for methimazole detection, Interaction J. Electrochem. Sci., 2018, vol. 13, p. 8551.

  19. Hu, M., Chen, Z.P., and Chen, Y., Quantification of methimazole in plasma and tablet samples by surface enhanced Raman spectroscopy in combination with multiplicative effects model, Chin. J. Analyt. Chem., 2015, vol. 43, p. 759.

  20. Saleh, T.A., Al-Shalalfeh, M.M., and Ai-Saadi, A.A., Silver nanoparticles for detection of methimazole by surface-enhanced Raman spectroscopy, Mater. Res. Bull., 2017, vol. 91, p. 173.

  21. Xu, Z.Q., Ling, A.X., and Liu, J., Hierarchically structured Ir@Pt/C composite as an efficient catalyst for glucose electro-oxidation, Catalysis Commun., 2015, vol. 69, p. 114.

  22. Alaqad, K.M., Abulkibash, A.M., and Al Hamouz, O.C.S., Silver nanoparticles decorated graphene modified carbon paste electrode for molecular methimazole determination, Chem. Data Collect., 2017, vols. 11–12, p. 168.

  23. Laviron, E., Adsorption, autoinhibition and auto catalysis in polarography and in linear potential sweep voltammetry, J. Electroanal. Chem., 1974, vol. 52, p. 355.

  24. Xi, X., Ming, L., and Liu, J., Electrochemical determination of thiamazole at a multi-wall carbon nanotube modified glassy carbon electrode, J. Appl. Electrochem., 2010, vol. 40, p. 1449.

  25. Shahrokhian, S. and Ghalkhania, M., Voltammetric determination of methimazole using a carbon paste electrode modified with a Schiff base complex of cobalt electroanalysis, Electroanalysis, 2008, vol. 20, p. 1061.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал