基于蛋壳源氧化钙纳米颗粒与聚D-丙氨酸修饰碳糊电极的伏安传感器高灵敏检测利奈唑胺

《BMC Chemistry》：A novel low –cost and sensitive sensor for the voltammetric nano detection of linezolid antibiotic in real samples using carbon paste electrode modified with calcium oxide nanoparticle combined with electropolymerized D-alanine

本研究针对利奈唑胺(LNZO)抗生素临床监测需求，开发了一种新型电化学传感器。研究人员通过将蛋壳废弃物回收制备的氧化钙纳米颗粒(CaO-NPs)与电聚合D-丙氨酸(PoDA)修饰碳糊电极(CPE)，成功构建了PoDA@CaO-NPs/CPE传感器。该传感器在pH 3.0的磷酸盐缓冲溶液(PBS)中，对LNZO表现出优异的电催化氧化性能，线性检测范围达0.005-0.1 μM，检测限低至1.27 nM，在实际样品中回收率达到95.70%-100.20%，为抗生素监测提供了低成本、高灵敏的分析新方法。

　　

在当今抗生素耐药性问题日益严峻的背景下，对重要抗生素药物的精准监测显得尤为重要。利奈唑胺(Linezolid, LNZO)作为首个上市的口恶唑烷酮类抗菌药物，在治疗多重耐药革兰阳性菌感染中发挥着关键作用。然而，长期使用LNZO可能引起周围神经病变等严重不良反应，因此建立快速、灵敏的检测方法对于临床用药监测和患者安全至关重要。

目前，LNZO的检测主要依赖超高效液相色谱-二极管阵列检测(UHPLC-DAD)、高效液相色谱-紫外检测(HPLC-UV)和液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)等技术。这些方法虽然准确可靠，但存在仪器昂贵、操作复杂、样品前处理繁琐等局限性，难以满足现场快速检测的需求。电化学分析技术因其成本低、灵敏度高、操作简便等优势，在药物分析领域展现出巨大应用潜力。

在这项发表于《BMC Chemistry》的研究中，Mahmoud Khodari团队创新性地将环境友好理念与纳米技术相结合，开发了一种基于蛋壳废弃物回收利用的新型电化学传感器。研究人员利用蛋壳中丰富的碳酸钙制备氧化钙纳米颗粒(CaO-NPs)，并将其与电聚合D-丙氨酸(PoDA)共同修饰碳糊电极(CPE)，构建了PoDA@CaO-NPs/CPE传感器，实现了对LNZO的高灵敏检测。

关键技术方法包括：以蛋壳为原料通过绿色合成法制备CaO-NPs；采用循环伏安法(CV)在电极表面电聚合D-丙氨酸形成聚合物薄膜；使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对材料进行表征；通过差分脉冲伏安法(DPV)和线性扫描伏安法(LSV)评估传感器性能；实际样品分析涉及制药片剂和来自South Valley University Hospital健康志愿者的人血清样本（经大学伦理委员会批准）。

PoDA在CaO-NPs/CPE上的电聚合涂层

通过循环伏安法在CaO-NPs/CPE表面成功制备了聚D-丙氨酸(PoDA)涂层。在1.12 mM D-丙氨酸溶液(PBS, pH 7.4)中，于-0.6 V至+2.0 V电位范围内进行13次连续扫描后，电极表面形成了均匀的聚合物薄膜。随着扫描次数的增加，氧化还原峰电流逐渐增强，表明PoDA薄膜的形成有效提高了电极的电催化活性。

CaO-NPs的形貌表征

通过XRD、FTIR和SEM对合成的CaO-NPs进行了系统表征。XRD图谱显示在2θ为32.24°、37.40°、53.93°、64.24°和67.47°处出现明显衍射峰，分别对应CaO的(111)、(200)、(202)、(311)和(222)晶面，证实了立方相CaO纳米颗粒的成功合成，平均晶粒尺寸约为25 nm。FTIR光谱在858和875 cm^-1处显示出明显的Ca-O伸缩振动特征峰，表明CaO-NPs的高纯度。SEM图像显示纳米颗粒呈球形，分布均匀，具有多孔结构。

制备的工作电极的形貌表征

SEM分析显示了不同电极的表面形貌差异。裸碳糊电极(BCPE)表面可见微米级石墨片，而CaO-NPs/CPE显示出纳米颗粒在糊状物中的均匀分布。在BCPE和CaO-NPs/CPE表面形成PoDA涂层后，石墨片不再可见，证实了成功的表面修饰。

电活性表面积评估

通过循环伏安法评估了不同电极的电化学活性表面积。在含有1 mM [Fe(CN)₆]^3-/4-的0.1 M KCl溶液中，PoDA@CaO-NPs/CPE表现出最高的电流响应，其电活性表面积(0.0864 cm²)是BCPE(0.0165 cm²)的5.2倍，表明CaO-NPs和PoDA的协同作用显著增强了电极的导电性和电催化活性。

LNZO的电化学行为研究

循环伏安研究表明，在PBS(pH 3.0)中，50 μM LNZO在PoDA@CaO-NPs/CPE上于0.96 V处出现明显的氧化峰，电流响应(20.97 μA)显著高于其他电极，表明该修饰电极对LNZO具有优异的电催化氧化性能。还原峰的缺失证实了LNZO的电氧化过程为不可逆过程。

不同参数对LNZO峰值电流的影响

系统优化了影响传感器性能的关键参数。电聚合循环次数研究表明，13次循环可获得最佳电流响应。支持电解质比较表明，PBS中获得的氧化峰电流最高。pH影响研究表明，在pH 3.0时获得最大电流响应，且氧化电位(E_p)与pH呈线性关系(E_p = 1.15 - 0.026 pH)，表明电氧化过程涉及质子参与。扫描速率研究表明，峰值电流与扫描速率的平方根呈线性关系，证实了扩散控制的电极过程。

PoDA@CaO-NPs/CPE的分析性能

在最优条件下，采用差分脉冲伏安法(DPV)对LNZO进行定量检测。传感器在0.005-0.1 μM浓度范围内呈现良好线性关系(I_p = 188.31C + 5.39, r² = 0.994)，检测限(LOD)和定量限(LOQ)分别为1.27 nM和26.6 nM，灵敏度显著高于以往报道的修饰电极。

重现性、重复性和稳定性

传感器表现出良好的分析性能，五个独立制备电极的重现性相对标准偏差(RSD)为4.9%，同一电极八次连续测量的重复性RSD为2.6%。稳定性测试表明，两周后电流响应仅下降6.85%，证明传感器具有优异的长期稳定性。

干扰研究

在常见干扰物（无机离子和有机化合物）存在下，传感器对LNZO仍保持高选择性。即使干扰物浓度远高于LNZO(100-3500倍)，峰值电流变化仍小于5%，表明传感器具有良好的抗干扰能力。

实际样品分析

在Averozolid商业片剂和人血清样本中应用该传感器，LNZO的加标回收率为95.70%-100.20%，证实了该方法在实际样品分析中的可靠性和准确性。

该研究成功开发了一种基于蛋壳源CaO-NPs和PoDA修饰的新型电化学传感器，实现了对利奈唑胺的高灵敏检测。传感器融合了纳米材料增敏效应和分子印迹技术的优势，展现出宽线性范围、低检测限、高选择性和良好稳定性等特点。特别值得一提的是，研究采用蛋壳废弃物作为CaO-NPs的原料来源，既降低了成本，又体现了绿色化学理念，为抗生素监测提供了经济环保的解决方案。

研究的创新性在于巧妙地将废弃物资源化利用与传感器构建相结合，通过CaO-NPs和PoDA的协同作用显著提升了检测性能。传感器在实际样品中的成功应用证明了其临床监测和药物质量控制方面的实用价值，为开发低成本、高性能的电化学传感器提供了新思路。这种基于可再生资源的传感器设计策略，对于推动分析化学的可持续发展具有重要借鉴意义。