单斜相二氧化锆电化学平台用于检测环境基质中的美洛昔康

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Monoclinic–Phase Zirconium Dioxide Electrochemical Platform for Detection of Mefenamic Acid in Environmental Matrices

ZrO2纳米颗粒修饰玻璃碳电极用于高灵敏甲芬那酸检测研究。摘要：采用水热法制备ZrO2纳米颗粒修饰电极，通过光谱和伏安法表征其结构及电化学性能。该电极对甲芬那酸检测限低至0.0018 μM，线性范围0.02-342.94 μM，1000秒内稳定性良好，5电极RSD为±1.98%。成功应用于实际水体中甲芬那酸检测，验证了其环境监测适用性。

　　

Selvakumar Kavya|Balasubramanian Akila|Tse-Wei Chen|Shen-Ming Chen|Sakthivel Kogularasu|Abhikha Sherlin Victor|Guo-Ping Chang-Chien|Mary George

印度泰米尔纳德邦金奈Stella Maris学院化学系，隶属于马德拉斯大学，邮编600086

摘要

广泛使用的非甾体抗炎药（NSAIDs）美洛昔康会引发不良药物反应，并通过向生物圈释放有害污染物而危害环境。鉴于对环境完整性和人类健康的日益严重威胁，需要一种新型的设计策略来实现对美洛昔康（MFA）的精确快速检测。本研究通过用水热法制备的二氧化锆（ZrO₂）修饰裸玻璃碳电极（GCE）表面来进行实验。此外，还利用了多种光谱和伏安技术来分析ZrO₂修饰GCE电极的表面特性。由于ZrO₂/GCE电极表面积增大，其电流信号增强，氧化过电位降低，为分析物分子提供了更多活性结合位点，从而促进了离子的快速迁移。该工程化电极对美洛昔康的检测灵敏度较高，检测下限为0.0018 μM，线性工作范围宽（0.02–342.94 μM），操作稳定性优异（1000秒内），重复性良好（相对标准偏差RSD=±1.98%）。该电极已用于实际样品检测，包括受污染的河水、饮用水和湖水，证明了其在实时药物监测中的适用性。其优异的回收率（±97.3–99.5%）进一步凸显了该ZrO₂/GCE电极的优越性。

引言

过去几十年中，随着全球人口的增长，制药行业迅速发展，带来了新的生物和环境挑战[1][2]。药物化合物可能通过人类和动物废物进入水生生态系统[3]。非甾体抗炎药（NSAIDs）常用于缓解疼痛和炎症以及退烧[4]。美洛昔康属于芬酰胺类抗炎药，可用于快速缓解多种疾病的轻至中度疼痛[5]。这种白色无味粉末不溶于水，但可溶于丙酮、氯仿和酒精[5]。它主要用于预防出血和缓解经期不适，也可用于治疗月经相关偏头痛（MRM）[7]。由于治疗频率高且停药时间有时不足，动物源性产品（如水、肉类和牛奶）中可能残留双氯芬酸、卡洛芬、酮洛芬、美洛昔康、美洛昔康和氟尼辛等NSAIDs[8][9]。确保这些残留物要么不存在于人类食物链中，要么其含量不会对消费者健康造成危害至关重要，因为它们在食品中的存在会威胁消费者健康[10]。 大约52%的美洛昔康通过尿液排出，约20%通过粪便排出[5]。根据英国国家药典（BNF）的建议用量，70公斤体重的成人每日最大剂量为1.5克，而危险剂量为40毫克/公斤[11]。然而，长期或过量使用可能导致神经系统、胃肠道和胃部问题[12]。过量服用还可能引发腹泻、焦虑、贫血、呕吐、腹痛和便秘等健康问题。水中的药物残留物可能对水生生态系统造成致命威胁，影响其生长、繁殖和行为。因此，对制药行业污染水和生物样本中残留美洛昔康浓度进行定量分析至关重要。已有研究采用伏安法、色谱法、电位法[13]、化学发光法、量热法、毛细管电迁移法[14]和荧光法[15]对药物进行定量分析，但这些方法操作繁琐且成本较高。相比之下，使用修饰电极的电化学方法具有使用便捷、检测速度快、灵敏度高和重复性好的优势[15]。 电化学方法因便携性和经济性而具有更多优势。电化学技术（如化学传感器和生物传感器）通过检测分析物与电极相互作用时产生的电信号，有助于识别和量化环境及生物样本中的物质[16][17][18]。这些方法对于药物检测、了解其对环境和人类健康的影响、污染控制以及提高药物可用性至关重要[19]。基于金属氧化物纳米材料的工作电极平台的进步显著提升了电信号的放大效果和灵敏度[20][21]。在农业、食品和化工等多个领域，人们对电活性分子的检测表现出浓厚兴趣[24]。 过渡金属氧化物因其可调节的氧化还原活性而成为有趣的选择[22][23]。基于这些材料的电化学传感器可用于检测多种有机分子，如亚硝酸盐、多巴胺、葡萄糖和氨基酸。纳米结构过渡金属氧化物修饰电极的发展得益于合成技术的进步，这些技术能够改变纳米颗粒的形态。金属氧化物（如CuO、ZnO、ZrO₂、SnO₂等）具有优异的耐用性、良好的电子传输能力、化学稳定性和与目标生物分子相似的氧化还原电位，使其成为电化学传感器的理想材料[24]。 二氧化锆纳米颗粒（ZrO₂ NPs）具有无毒、缺陷诱导的导电性增强、耐热性[25][26]、宽带隙（3.5–5 eV）[27]以及理想的电学和表面性能等优点。ZrO₂纳米颗粒可用作燃料电池电极材料、废水净化吸附剂，并用于制备纳米复合材料、光催化、传感器等其他应用。ZrO₂易于生产且应用广泛，使其成为检测有害和氧化还原活性分析物的有效材料[28][29]。由于对人类和环境安全的关注，绿色合成方法受到了广泛关注[30][31]。 S.D. Bukkitgar等人[32]发现，用5%掺钡的ZnO纳米颗粒修饰的玻璃碳电极（GCE）可促进美洛昔康的电氧化，表明掺杂金属氧化物纳米颗粒能显著提高表面活性和电子传输效率（回收率94.2%，相对标准偏差2.6%）。Saranvignesh Alagarswamy等人[1]将钒酸钙纳米纤维整合到还原氧化石墨烯中，开发出灵敏的电化学传感器（相对标准偏差3.6%）。Perveen等人[33]采用绿色工艺制备的镁铁氧体纳米颗粒，并将其整合到电极中，实现了对血液、药物和废水中美洛昔康的纳摩尔级检测，展示了铁氧体纳米颗粒在广泛分析应用中的潜力。Movlud Valian等人[34]证明，由钛酸铽（Tb₂Ti₂O₇）纳米结构制成的电极能够检测生物样本和废水中的美洛昔康，突显了稀土金属氧化物纳米结构在环境和临床监测中的潜力。其他方法将纳米颗粒与磁性元素结合，实现了复杂样品（如牛奶）中的双模式检测，从而扩展了美洛昔康的检测方法。总体而言，这些结果展示了掺杂和集成金属氧化物纳米颗粒平台在美洛昔康检测中的有效性，弥补了传统方法的局限性，增强了检测的灵敏度、选择性和实用性[34]。 本研究旨在通过淀粉辅助合成ZrO₂金属氧化物，以实现非甾体抗炎药美洛昔康的电化学检测，突显了这种系统化、可持续的绿色合成方法。据作者所知，目前尚无关于使用富含缺陷的单斜晶系ZrO₂修饰GCE电极检测美洛昔康的研究。通过多种光谱和分析技术详细研究了水热法制备的过渡金属氧化物（ZrO₂）材料的晶体结构、物理化学性质和形态特征。与裸电极相比，ZrO₂/GCE电极表现出更优异的电化学性能，具有极低的检测阈值和宽动态工作范围，适用于检测河水、饮用水和湖水中的美洛昔康。因此，本研究为医疗环境中高效痕量检测美洛昔康提供了创新见解和新方法。

材料与方法

所用材料包括：二氯化锆（ZrOCl₂·8H₂O；≥98%）、尿素（CH₄N₂O；≥99-100.5%）、淀粉（(C₆H₁₀O₅)_n）、美洛昔康（2-(2,3-二甲基苯基)氨基苯甲酸；≥99.88%）、氢氧化钠（NaOH；≥97.0%颗粒）、氯化钾（KCl；≥99.0–100.5%）、磷酸二氢钠（Na₂HPO₄；≥99.0%）、磷酸二氢钠（NaH₂PO₄；≥99.0%），均购自Sigma-Aldrich、Nice Chemicals Pvt. Ltd.、Alfa Aesar和Showa Chemical Industry Co., Ltd.，无需进一步处理即可使用。

ZrO₂纳米颗粒的结构分析

图1(a)显示，通过X射线衍射（XRD）分析了制备的ZrO₂纳米颗粒的相纯度。XRD谱图显示了六个与ZrO₂相关的衍射峰，对应于单斜晶系：(110)、(-110)、(111)、(200)、(002)、(120)、(-112)、(211)、(220)、(022)、(220)、(310)、(021)、(221)、(131)、(113)、(23-1)、(-401)和(047)，这些峰在文献中有详细记录。

结论

本研究通过水热法制备了ZrO₂纳米材料，用于高效电化学检测美洛昔康。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、XRD和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）的结果明确证明了纳米颗粒的生成。与现有电极相比，ZrO₂/GCE表现出更强的电催化活性。i-t技术测试表明，ZrO₂/GCE的检测范围为0.02–342.94 μM。

作者贡献声明

Guo-Ping Chang-Chien：项目监督、管理及数据管理 Sherlin Victora Abhikha：数据分析、验证 Mary George：写作、审稿与编辑、验证、监督、研究及资金申请 Shen-Ming Chen：写作、审稿与编辑、验证、监督、研究及资金申请 Tse-Wei Chen：验证、监督、资金申请、写作 Sakthivel Kogularasu：写作、审稿与编辑、数据可视化及概念设计

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

台湾国家科学技术委员会（NSTC）和台湾国立科技大学提供了财务支持，作者对此表示衷心感谢。相关资助项目编号分别为MOST 113-2113-M-027-003和NSTC 114-2113-M-027-008。此外，印度科学技术部的Anusandhan国家研究基金会（ANRF）以及泰米尔纳德邦政府也提供了财政支持。