经过基因工程改造的缺氧型La?CuO?，可用于同时电化学检测N-乙酰-对氨基酚及其有毒代谢物，适用于生物医学和环境监测领域

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Gamma engineered oxygen deficient La 2CuO 4 for simultaneous electrochemical detection of N-acetyl-para-aminophenol and its toxic metabolite for biomedical and environmental monitoring

基于γ辐照La?CuO?纳米粒子的电化学传感器可同时高灵敏度检测对氨基苯酚和对乙酰氨基酚，克服尿酸干扰，检测范围0.01-3000 μM，验证其在环境样本和生物体液中的有效性。

　　

S.B. Mayil Vealan|P. Archana|C. Arul|Ramcharan Meena|C. Sekar

印度泰米尔纳德邦阿拉加帕大学生物电子与生物传感器系

摘要

N-乙酰对氨基酚（ACAP）及其主要代谢物4-氨基酚（4-AP）同时存在于药品、生物流体和水环境中，对健康构成重大风险。由于氧化电位重叠以及生物基质中尿酸（UA）的干扰，它们的选择性电化学检测受到阻碍。本文提出了一种基于经伽马辐照的La₂CuO₄纳米颗粒（GI-LCO NPs）作为电极材料的创新电化学传感器，用于在UA存在的情况下同时检测ACAP和4-AP。LCO纳米颗粒经过??Co γ射线辐照以引入所需的缺陷。在优化条件下，100?kGy辐照的LCO NPs修饰的玻璃碳电极（100?kGy GI-LCO/GCE）对ACAP和4-AP的氧化表现出优异的电催化活性，并具有良好的峰对峰分离度。该传感器在350?μM UA存在下，对ACAP的检测范围为0.01–2500?μM，对4-AP的检测范围为0.01–3000?μM，其检测限分别为0.001?μM和0.008?μM。GI-LCO NPs的电催化活性增强归因于伽马辐照诱导的氧空位，导致Cu价态变化，从而增加了活性O^2-/Cu位点的数量。该传感器的实际应用已在水样、药物制剂和人尿液中得到验证。此外，它还能成功监测对乙酰氨基酚水解为4-AP的过程，结果与分光光度和HPLC分析一致。总体而言，所开发的传感器是一种有前景的非酶传感平台，适用于生物医学和环境系统中的药品检测和风险评估。

引言

N-乙酰对氨基酚（ACAP），通常称为对乙酰氨基酚或扑热息痛，是全球最广泛使用的非处方非甾体止痛药和退烧药之一。它是600多种用于治疗疼痛和发热的药物中的活性成分[1]。由于疾病控制与预防中心（CDC）的建议以及其在怀孕期间的安全性，COVID大流行期间对ACAP的需求增加了四倍[2]、[3]。由于这种广泛使用，ACAP通过各种人为活动不断进入环境系统[4]。因此，ACAP经常在水生生态系统中被检测到，现在被认为是一种持久性环境污染物[5]。

4-氨基酚（4-AP）是ACAP的主要水解中间产物，也是药品制剂中的潜在污染物。它对环境和健康构成重大威胁[6]。4-AP在体内的积累可能导致严重的健康风险，包括肾毒性、致畸性、突变性和DNA损伤[7]。由于这些不良影响，中国、美国和欧洲药典等监管机构对ACAP制剂中的4-AP含量设定了严格限制（不得超过50?ppm (w/w)[8]。此外，研究表明，ACAP暴露会导致严重的肝脏损伤，而长期或过量使用则与神经发育障碍、男性生殖健康受损（包括精子活力下降、DNA片段化和泌尿生殖系统疾病）有关[9]。ACAP口服后迅速吸收、分布并通过尿液排出[10]，因此尿液是监测其存在的理想生物流体。因此，需要简单准确的方法来检测流动和静止生态系统中的4-AP和ACAP，并在生物流体中对其进行监测，以确保药物安全并评估其生理影响。

传统的分析技术，如色谱法、分光光度法、化学发光法、流动注射法、毛细管电泳法和比色法已被用于检测ACAP和4-AP。这些方法通常成本高昂、耗时且缺乏选择性。鉴于ACAP和4-AP都是电活性化合物，大量研究集中在电化学传感器上作为替代方案。电化学传感器提供简单、快速的检测，具有高灵敏度和选择性，使其成为分析这些化合物的有希望的选择。然而，尿液中尿酸（UA）的存在进一步复杂化了ACAP和4-AP的电化学检测，因为它们的氧化电位重叠，阻碍了准确定量。UA是嘌呤代谢的天然产物，通过尿液排出，在ACAP分析过程中起到干扰作用[11]。这些挑战凸显了开发能够在UA存在下选择性且灵敏地检测ACAP和4-AP的先进传感器的重要性。

为了解决这些挑战，研究人员开发了多种改性的电极来检测ACAP和4-AP。最近的进展包括：Elanthamilan等人[12]制备了一种NiCoFe/LDH@g-CN/GCE传感器，可检测0.166–1225.5?μM范围内的ACAP；Beitollahi等人的[13] MoS₂ NSs/MnO₂ NRs/SPCE传感器在0.42?V和0.12?V的低电位下氧化ACAP和4-AP，检测范围为0.008–700?μM；Zhang等人的[14] Ti₃C₂QDs/Fe-NC/GCE传感器可用于同时检测ACAP和4-AP；Zheng等人的NH2-MIL-101(Fe)/PCE传感器具有0.08–800?μM的宽检测范围；Zeng等人的Cu₂O/MWCNTs-COOH/GCE传感器在0.4?V下检测ACAP，检测范围为1–200?μM，LOD为0.25?μM。尽管有这些进展，但大多数报道的传感器都基于复合电极修饰剂，这通常涉及复杂的合成过程，并可能具有有限的可重复性。此外，生物流体中尿酸的干扰以及共存的电活性降解产物（如氢醌和4-硝基酚）在环境基质中的影响尚未得到充分解决。关键的研究空白是缺乏一种能够在UA存在下可靠同时检测ACAP和4-AP的单一电化学方法。为了解决这个问题，本研究介绍了一种经伽马辐照的La₂CuO₄修饰的玻璃碳电极（GI-LCO/GCE）作为简单的独立氧化物基传感平台。伽马辐照诱导了表面缺陷并增强了Cu的氧化还原活性，从而提高了电催化性能。这种方法首次实现了在UA存在下对ACAP和4-AP的选择性和同时检测。

金属氧化物纳米颗粒，如钙钛矿镧铜氧化物（La₂CuO₄），由于其独特的晶体结构[18]、[19]，在催化和铁电应用中引起了极大的兴趣。最近的进展表明，伽马辐照是一种环保的材料改性方法。Vealan等人（2024年）[20]和Anithaa等人（2017年）[21]的研究表明，伽马辐照可以诱导可控的表面和体积缺陷，从而提高材料的电催化性能。基于此，使用简单的溶胶-凝胶方法合成了La₂CuO₄纳米颗粒（LCO NPs），并分别以50、100和150?kGy的剂量进行伽马辐照，以提高其电催化活性。使用优化后的100?kGy辐照LCO修饰的玻璃碳电极（100?kGy GI-LCO/GCE）制备了电化学传感器。该传感器能够在UA存在下同时检测ACAP和4-AP。所提出的传感器还通过分光光度和HPLC分析进行了交叉验证。结果突显了其作为复杂基质中ACAP和4-AP检测的可靠、灵敏和高效方法。

材料与方法

有关本研究中使用的材料、试剂和仪器的详细信息，请参见补充信息。

粉末XRD分析

通过X射线衍射分析研究了La₂CuO₄纳米颗粒在伽马辐照后的结构、相态和结晶度变化。原始的LCO NPs表现出四方晶体结构，这一点通过JCPDS标准卡片082–1662对应的特征衍射峰得到确认。图谱显示了高结晶度，以及2θ值为24.31°、27.01°、31.03°、33.26°、40.89°、41.57°和47.69°处的清晰峰，分别对应于（111）、（004）、（113）、（200）、（006）

结论

在本研究中，使用简单的溶胶-凝胶技术合成了新型四方相La₂CuO₄纳米颗粒。制备的LCO NPs经过伽马辐照，引发了Jahn-Teller效应，导致其从四方相转变为正交相，同时形成了表面缺陷和氧空位。经过100?kGy辐照的LCO NPs表现出更大的表面积

CRediT作者贡献声明

Mayil Vealan：撰写——初稿、软件开发、数据管理、概念构思、审稿与编辑。Pandi Archana：撰写——审稿与编辑、方法学、数据管理、初稿撰写。Chella Arul：监督。Ramcharan Meena：资源获取、资金筹集。Chinnathambi Sekar：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、调查、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢IUAC（Rc. S.O (p)/IUAC/-715/2021，2021年4月6日）和MHRD-RUSA 2.0（Rc. Alu/RUSA 2.0/EIR 2023，2023年2月15日）的支持。