《Microchemical Journal》：Eco-friendly differential pulse voltammetry for non-invasive detection of ofloxacin using zinc-based metal organic frameworks (Zn-MOF) with environmental sustainability assessment
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本研究通过水热法合成Zn-MOF并负载于羧基功能化多壁碳纳米管（f-MWCNTs），构建Zn-MOF@f-MWCNTs/CPE电化学传感器，采用差分脉冲伏安法检测左氧氟沙星（OFL），检测限为0.5×10?? M，并成功应用于人工唾液样本的定量分析，展示了其在点播诊断中的高灵敏度和便捷性。
阿姆尔·M·阿卜杜勒法塔赫（Amr M. Abdelfatah）| 哈利德·A·M·阿蒂亚（Khalid A.M. Attia）| 艾布拉欣·A·埃尔-德苏基（Ebrahim A. El-Desouky）| 阿姆尔·M·马哈茂德（Amr M. Mahmoud）| 艾哈迈德·埃尔-奥莱米（Ahmed El-Olemy）| 纳赫拉·A·阿卜杜勒沙菲（Nahla A. Abdelshafi）
开罗巴德尔大学药学院药物分析化学系，巴德尔市，开罗，11829，埃及
摘要
将金属离子和纳米材料与金属有机框架（MOF）结构结合，可以制造出具有增强电分析性能的改性电极，如选择性、低检测限和稳定性。在这项研究中，使用水热技术合成的羧基化多壁碳纳米管（f-MWCNTs）表面的锌-MOF（Zn-MOF）对碳糊电极（CPE）进行了改性。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）方法对Zn-MOF@f-MWCNTs/CPE改性电极进行了表征。我们的模型分析物是氧氟沙星（OFL），通过差分脉冲伏安法（DPV）研究了Zn-MOF@f-MWCNTs/CPE电极的性能。结果显示，在2.0 × 10^?7至1.4 × 10^?5 M的范围内，检测限为0.5 × 10^?8 M，定量限为1.7 × 10^?7 M。该方法通过定量测定人工唾液样本中的氧氟沙星进行了验证。
引言
提供个性化医疗治疗的最重要工具之一是治疗药物监测（TDM），它对用药计划有重大影响[[1], [2], [3], [4]]。主要目标是在体内保持具有挑战性的药物的适当剂量范围，以便患者在各种医疗情况下获得更好的治疗效果[1]。特别是对于某些抗生素，必须经常进行TDM，以确保暴露正确的药物浓度，防止抗生素耐药性的产生，并将副作用降到最低[5]。在TDM中，药物浓度在多种体液中测量，包括血浆、唾液和尿液[6,7]。使用非侵入性样本来源（如唾液）可能降低基于血液的TDM的风险和成本[8,9]。一类称为氟喹诺酮类（FQs）的抗生素针对负责DNA复制的两种酶：拓扑异构酶IV和DNA旋转酶[10]。氧氟沙星（OFL）是一种有效的抗生素，用于治疗细菌感染，属于氟喹诺酮类，具有广谱活性[11]。其化学结构如图S1所示。OFL通过抑制对分离复制DNA至关重要的酶（如DNA旋转酶、拓扑异构酶II型和IV型）来发挥作用，从而阻止细菌细胞分裂[12]。已经有多种方法用于分析生物流体中的OFL，包括高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS）、免疫测定、HPLC方法[13,14]、液相色谱-串联质谱（LC–MS/MS）[15]或分散微固相萃取[[13], [14], [16]]。这些方法大多需要熟练的操作人员、样品处理或衍生化步骤；它们还耗时且成本较高。
最近有一篇关于TDM应用电化学传感器设计的综述，人们对开发用于即时诊断的这些传感器越来越感兴趣[2,17]。这些传感器相比上述方法具有多个优势，包括简单、便宜和快速。目前，开发用于TDM应用的即时诊断电化学传感器越来越受欢迎，原因包括它们比之前提到的方法更快、更便宜、更容易实施。最近有一篇关于此类传感器设计现状的综述[2,[17], [18], [19]]。电化学传感方法的优点包括高灵敏度、选择性、快速检测、经济性、便携性和快速响应，使其成为识别生物样本中多种药物（包括OFL）的流行工具。在开发这些方法的过程中，OFL受到了特别关注。伏安法也是专门用于检测生物样本中OFL的具体电化学传感技术之一[20]，还有电化学阻抗谱（EIS）[21]、使用微流控平台与电化学传感器提高检测能力[22]、使用抗体或酶的电化学生物传感器[23]，以及利用金属纳米粒子、石墨烯和碳纳米管等元素提高灵敏度的改进型传感器[24]。这些方法可能有助于确定OFL，但由于基质效应或结构类似化合物的存在，在复杂样本中开发特定方法可能会很困难。为了解决这个问题，可能需要使用先进的信号处理或多参数分析方法。根据每种应用的独特需求和限制，必须仔细考虑电化学传感策略的优缺点。本研究的主要目标是开发一种无需任何试剂即可快速实时测量这些体液中药物量的电化学传感器。与更传统的分析方法相比，电化学方法具有许多优势，如简单、方便、低成本、灵敏度高、便携、响应迅速、用户友好、测量浓度范围广、功耗低且环保[[25], [26], [27]]。
金属有机框架（MOFs）最早由Yaghi等人在1995年描述[28]。近年来，MOFs作为电催化剂展现出了巨大的潜力[[29], [30], [31], [32]]。金属节点和多齿有机连接剂是构成这类多孔固体材料的成分[33]。它们在一维、二维和三维上的扩展使它们可以被视为配位聚合物的子集[[34], [35], [36]]。多壁碳纳米管（MWCNTs）是一类具有多种潜在用途的有用材料[[37], [38], [39], [40]]。MWCNTs具有高表面积、化学稳定性、显著的纵横比以及电导率和热导率[41]。MOFs与MWCNTs的结合产生了类似项链的复合材料，由于它们的协同效应，这些复合材料具有出色的性能，同时可能克服了两种原始材料的特定缺点。在制备过程中，MOFs生长在或附着在CNTs的表面上，为它们提供了坚固的支架。MWCNTs@MOF复合材料通过MWCNTs的强度提高了纯MOFs的缺点，表现出显著的机械强度和热稳定性[42,43]。此外，MWCNTs的添加有助于保护MOFs免受湿气的影响，因为湿气会对MOFs的稳定性产生不利影响[44,45]。根据制备过程，MWCNTs上的附加功能（通常是羧基）与金属离子相互作用，导致MOFs在MWCNTs表面形成。Zhang等人的研究展示了在MWCNTs边界处合成较小MOFs的可能性[46]。
我们研究的目的是创造新的功能性纳米粒子，用于制造通过电化学方法更好地检测OFL的电极。为此，在羧基化的MWCNTs（Zn-MOF@f-MWCNTs）表面制备了锌-金属有机框架，并用于改性碳糊电极（CPE）。然后将其与裸露的CPE进行比较，使用OFL作为药物模型。使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）技术分析了Zn-MOF@f-MWCNTs/CPE纳米粒子。结果表明，与裸露的CPE相比，Zn-MOF@f-MWCNTs/CPE在OFL的氧化方面表现出更好的电催化活性，并成功用于检测人工唾液中的OFL。研究表明，MOF改性的传感器在结构上稳定，这意味着它们可以长时间保持良好的工作状态。这意味着可以连续且一致地监测OFL的量，而不会出现显著降解，并且可以将其集成到紧凑、可携带的设备中，用于现场OFL检测。这对于即时诊断具有重要意义，因为快速准确地确定氧氟沙星的水平对患者护理至关重要。
使用点击分析化学指数（CACI）[47]、分析绿色星等级（AGSA）[48]、蓝色适用性等级指数（BAGI）[49]和红色分析性能指数（RAPI）[50]评估了所开发方法的可持续性。
本工作的创新之处在于开发了一种能够使用差分脉冲伏安法灵敏测量氧氟沙星的改性电极。所提出的方法结合了简单的电极制备、高灵敏度和低检测限，与许多依赖于复杂或多步骤改性的已发表电化学传感器不同。此外，该方法在实际分析中的实用性通过其在人工唾液中添加OFL后的良好应用得到了证明。
购买了以下试剂：磷酸盐缓冲盐水（PBS）药片、醋酸锌Zn（OAC）2·2H2O、二甲基亚胺（DMF）和乙醇（HPLC级），均来自英国拉夫堡的Fisher Scientific。碳纳米管（多壁，碳含量>98%，产品编号698849）和用于药物研究的人工唾液（SAE0149）来自德国Sigma Aldrich。去离子水通过双蒸馏制备（Agela Technologies，美国威尔明顿）。亚硝酸钠（NaNO2）也进行了购买。
使用TEM研究了合成的Zn-MOF@f-MWCNTs的形状。如图1A所示，聚集物呈矩形结构。SEM调查显示，纳米材料分布均匀，表面粗糙多孔。均匀分布和微观特征表明活性位点增加，这可能改善了对OFL的电化学反应[图1B]。FTIR光谱见图1C。
使用水热技术合成了矩形结构的锌-MOF。锌-MOF与羧基化的多壁碳纳米管（f-MWCNTs）按2.5:97.5的比例结合。成功构建了Zn-MOF@f-MWCNTs/CPE电极，并用于检测OFL。锌-MOFs的吸附能力、良好的电催化活性和多孔结构都对其良好的电化学性能做出了贡献。
阿姆尔·M·阿卜杜勒法塔赫（Amr M. Abdelfatah）：撰写——原始草稿、验证、方法论。
哈利德·A·M·阿蒂亚（Khalid A.M. Attia）：监督。
艾布拉欣·A·埃尔-德苏基（Ebrahim A. El-Desouky）：撰写——审阅与编辑、监督。
阿姆尔·M·马哈茂德（Amr M. Mahmoud）：方法论、概念化。
艾哈迈德·埃尔-奥莱米（Ahmed El-Olemy）：撰写——审阅与编辑、方法论。
纳赫拉·A·阿卜杜勒沙菲（Nahla A. Abdelshafi）：撰写——原始草稿、监督、方法论、研究。
不适用。
不适用。
本研究未收到任何资助。
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
不适用。
