护理点芬太尼检测：结合智能手机成像技术和化学计量学实现可靠的定量分析

《Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis》：Point-of-Care Fentanyl Detection: Combining Smartphone Imaging and Chemometrics for Reliable Quantitative Analysis

智能手机图像分析结合银纳米棱柱-石墨烯量子点探针用于呼气冷凝物中芬太尼的非侵入式快速检测研究，优化后检测限0.0008 μg/mL，线性范围0.001–3.0 μg/mL，并与传统光谱法及化学计量学验证结果一致，适用于机械通气新生儿样本。

　　这项研究探讨了利用智能手机图像分析与点测试相结合，作为一种快速且简便的芬太尼分析方法的可行性。研究团队开发了一种由银纳米棱柱-石墨烯量子点（AgNprs-GQD）组成的探针，该探针能够根据芬太尼的不同浓度产生不同的颜色变化。为了进行比较，这些颜色变化的数据通过分光光度法、荧光光谱法以及数字图像色度法进行了记录。图像分析采用的是PhotoMetrix智能手机应用程序，该程序利用单变量校准方法对采集的图像进行处理。为进一步探究图像分析的潜力，研究团队在MATLAB环境中使用平行因子分析（PARAFAC）方法进行了多变量校准。通过将图像分析方法与分光光度法作为标准方法进行对比，验证了该方法的可靠性。在优化条件下，分光光度法的线性范围和检测限（LOD）分别为0.001–0.3 μg/mL和0.0007 μg/mL，荧光光谱法的线性范围和LOD分别为0.01–0.5 μg/mL和0.009 μg/mL，智能手机色度法的线性范围和LOD分别为0.001–3.0 μg/mL和0.0008 μg/mL，而PARAFAC方法的线性范围和LOD分别为0.001–0.5 μg/mL和0.0007 μg/mL。日内和日间精密度分别达到≤6.4%和≤10.8%。该方法成功应用于机械通气新生儿的呼出气体冷凝物（EBC）样本，展示了其作为一种非侵入性、快速且适用于现场检测的芬太尼定量方法的潜力。

芬太尼是一种自50多年前问世以来，目前被广泛用于手术中疼痛管理的阿片类药物。其可以通过静脉注射、透皮或黏膜途径进行给药。芬太尼因其物理特性、效力、熟悉度以及可调节性，成为全球疼痛治疗工作者的重要工具。然而，它也伴随着多种不良反应，如恶心、呕吐、疲劳、呼吸抑制和便秘。较高的芬太尼剂量可能导致中毒、昏迷，甚至死亡。近年来，由于芬太尼制剂的滥用以及非法制造的高效力和高度致命的芬太尼类似物的出现，已经导致了大量中毒死亡事件。令人遗憾的是，芬太尼与体育兴奋剂的使用也存在关联。一些运动员为了提高耐力或减少疼痛感知以取得更好的成绩，会使用芬太尼。体育界和反兴奋剂组织密切合作，以防止和识别芬太尼及其他非法物质在体育赛事中的使用。因此，开发高度敏感和选择性的方法以分析芬太尼及其类似物显得尤为重要。

已有多种分析技术被开发用于在不同生物样本中检测芬太尼，包括液相色谱-三重四极杆质谱（LC-QQQ-MS）、超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）、液相色谱-质谱/质谱（LC-MS/MS）、气相色谱-质谱（GC-MS）、气相色谱-氮/磷检测器（GC-NPD）、免疫分析、分光光度法、比色法、毛细管电泳、高效液相色谱（HPLC）、差分脉冲伏安法和电位分析等。这些技术在某些情况下能够有效检测芬太尼，但多数方法需要复杂的设备和专业培训，成本较高，且操作繁琐。因此，开发新型、简便、经济且高灵敏度的芬太尼监测方法具有迫切的需求。

点测试是一种分析技术，它允许分析师使用简单、易得的设备快速完成可接受的半微量和微量测试。在大多数情况下，检测器是人眼 [20]。将点测试与数字图像分析相结合，已经促使分析技术的发展，这些技术有可能替代传统的检测方法以识别各种分析物。这些方法具有简便、快速、经济和低化学物质消耗的特点。此外，该技术使用易于获取的现代设备，如网络摄像头、相机、扫描仪以及智能手机中的普通相机 [21]。

近年来，化学计量学因其在提升当前分析方法以处理复杂样本方面的必要性而受到广泛关注。为了估计分析物的浓度，通常使用多变量校准技术从多种原始数据形式中提取信息 [22]。在单变量研究失败的情况下，多变量校准是一种有效的工具 [23]。多变量校准技术的优势在于它们利用所有可用的数据，而不是仅仅依赖一个特征值。通过将分析物浓度与各种观察到的响应相关联，这些方法能够实现更准确的测定 [24]， [25]。

纳米颗粒在多个科学领域中得到了开发和广泛应用 [22]， [23]， [24]， [25]。纳米颗粒的合成主要采用“自上而下”和“自下而上”两种方法。许多合成工艺正在被开发或改进，以优化纳米颗粒的特性并降低制造成本。这些方法被调整以实现特定过程所需的纳米颗粒，并提高其光学、机械、物理和化学性能 [26]。金属纳米颗粒，尤其是银纳米颗粒（AgNPs），由于其出色的抗菌、电学、光学和热学特性而受到关注 [27]， [28]。银纳米颗粒的独特特性受到其尺寸、形状和形貌的显著影响。由于银纳米棱柱（AgNprs）相较于其他形态的纳米颗粒具有更高的表面增强拉曼散射（SERS）效应，因此在各种银纳米颗粒中受到了广泛关注 [29]。

尽管该研究领域引起了越来越多的关注，但仍然存在一个关键的知识空白：很少有研究专注于将这些方法微型化或转化为便携式传感器。本研究旨在描述一种由AgNprs-GQD组成的探针的合成，并利用该探针设计一种比色和荧光传感器，以及一种基于纸张的点测试，随后通过数字图像分析来选择性地检测和定量机械通气新生儿的呼出气体冷凝物（EBC）样本，这是一种非侵入性的生物样本。点测试为开发微型化光谱方法提供了可能性，这些方法能够实现高灵敏度和选择性的检测，而无需复杂的设备或操作流程。此外，所采用的方法结合了比色技术和化学计量学方法，以实现对实际样本中芬太尼的可靠测定。

在本研究中，用于合成石墨烯量子点（GQDs）的材料包括柠檬酸，其购自Merck（德国达姆施塔特）。银硝酸（AgNO3）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）K-30、氢化钠（NaBH4，纯度96%）、过氧化氢（H2O2，30% wt%）和三钠柠檬酸（Na3C6H5O7）则由Sigma-Aldrich（美国圣路易斯）提供。磷酸缓冲液由Merck（德国达姆施塔特）提供的柠檬酸二氢钠和Shahid Ghazi制药公司（伊朗塔尔齐）提供的双蒸去离子水制备。pH值的调节则通过其他方法完成。

为了表征GQDs和AgNprs的大小和形态特征，研究团队使用了透射电子显微镜（TEM）分析。如图2a所示，TEM图像揭示了AgNprs的独特几何结构，平均直径为30 nm，显示出清晰的边缘和相对尖锐的顶点，这对于其增强的等离子体行为至关重要。原子力显微镜（AFM）被用于测量颗粒的尺寸分布。合成的GQDs的AFM图像如图2b所示。对应的AFM图像展示了颗粒的尺寸分布情况。

本研究成功开发并验证了一种基于AgNprs–GQD的数字图像比色法，用于在EBC样本中检测芬太尼，其检测范围为0.001–3.0 μg/mL。该方法在与其他阿片类药物（如吗啡、美沙酮、哌替啶、可待因和曲马多）的检测中表现出良好的选择性，并且其结果与分光光度法和PARAFAC分析结果一致。基于智能手机的系统实现了快速的定量分析，具有较低的检测限和较宽的线性范围，进一步确认了该方法的有效性。

研究样本的提供者填写了经Tabriz大学医学院伦理委员会审核的同意表，编号为IR.TBZMED.REC.1402.925。此外，本研究得到了伊朗国家科学基金会（INSF）在项目编号4014854下的资助。

在本研究中，Abolghasem Jouyban负责监督和概念化，Mohammad Hasanzadeh负责概念化，Yasaman Sefid-Sefidehkhan负责撰写原始稿件和研究，Elaheh Rahimpour负责撰写和审阅稿件以及监督，Vahid Jouyban-Gharamaleki和Hosseini Mohammad Bagher负责数据分析，Sedigheh Mohammadzadeh负责研究。

研究团队声明他们没有利益冲突。我们感谢伊朗塔尔齐的Imam Reza医院临床研究发展单位在本研究中的合作。本研究不涉及出版许可。