《Sensing and Bio-Sensing Research》：In situ synthesized HAp@CuO nanohybrid-based electrochemical sensor for sensitive determination of piroxicam in pharmaceutical and biological samples
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吡罗昔康（Piroxicam，PX）是一种强效烯醇类非甾体抗炎药（NSAID），广泛用于严重炎症和骨关节疾病的临床治疗。然而，由于其治疗窗口窄且存在剂量依赖性风险（包括急性胃肠道毒性和肾功能障碍），在药物制剂和复杂生物体液中建立精确灵敏的监测方案至关重要。虽然
吡罗昔康（Piroxicam，PX）是一种强效烯醇类非甾体抗炎药（NSAID），广泛用于严重炎症和骨关节疾病的临床治疗。然而，由于其治疗窗口窄且存在剂量依赖性风险（包括急性胃肠道毒性和肾功能障碍），在药物制剂和复杂生物体液中建立精确灵敏的监测方案至关重要。虽然高效液相色谱（HPLC）、毛细管区带电泳和串联光学光谱等基准分析手段能够提供稳健的定量能力，但其在常规和即时诊断中的应用受到繁琐的多步骤样品前处理、有毒有机溶剂的大量消耗、高运行成本以及仪器不便携等因素的固有制约。为克服这些集中化实验室的局限性，电化学传感平台因其低成本、快速信号读取、高固有灵敏度以及适合小型化现场检测等优势而获得广泛关注。然而，吡罗昔康在裸工作电极上的直接界面电氧化面临严重的电分析挑战：其阳极氧化涉及复杂的多电子耦合质子转移过程，通常表现出迟缓的界面电荷转移动力学，导致伏安曲线轮廓不清且氧化过电位过高。此外，吡罗昔康的氧化中间体易在工作电极表面发生二次电聚合，造成电极快速污染和传感器重复性显著下降。尽管已有多种化学修饰电极被研究以缓解上述问题，但在昂贵前体合成、长期稳定性、线性动态范围以及亚微摩尔水平的催化效率方面仍存在显著不足。因此，亟需通过可持续、生物相容且高性能的杂化结构来调控换能器界面。本研究开发了一种新型电化学传感平台用于吡罗昔康的测定：制备了氧化铜纳米颗粒修饰羟基磷灰石（HAp@CuO）的碳糊电极（CPE），并采用基于三因素三水平Box-Behnken实验设计的响应面法（RSM）优化了溶液pH、修饰剂含量和电位扫描速率等分析条件。最后，通过药物制剂和尿液样本中吡罗昔康的测定验证了所提出传感器的实际适用性。
一、研究背景与意义
吡罗昔康作为一种强效烯醇类非甾体抗炎药，在严重炎症和骨关节疾病的临床管理中应用广泛。然而其治疗窗口狭窄，剂量相关风险包括急性胃肠道毒性和肾功能障碍，因此在药物制剂和复杂生物体液中进行精确灵敏的监测至关重要。传统的分析手段如高效液相色谱、毛细管区带电泳和串联光学光谱虽能提供稳健的定量能力，但受限于繁琐的多步样品前处理、有毒有机溶剂的大量消耗、高昂的运行成本和仪器不便携等因素，难以满足常规和即时诊断的需求。电化学传感平台凭借低成本、快速信号读取、高固有灵敏度和适合小型化现场检测等优势成为克服上述局限的有效途径。然而吡罗昔康在裸工作电极上的直接电氧化面临严峻挑战：其阳极氧化涉及复杂的多电子耦合质子转移过程，界面电荷转移动力学迟缓，导致伏安轮廓不清且氧化过电位过高；同时其氧化中间体易在电极表面发生二次电聚合，造成电极快速污染和传感器重复性显著下降。尽管已有多种化学修饰电极被探索，但在前体合成成本、长期稳定性、线性动态范围和亚微摩尔水平的催化效率方面仍存在明显不足。因此，构建可持续、生物相容且高性能的杂化界面结构以加速电子迁移、增强电催化表面积并提供抗生物基质干扰能力，成为该领域亟待解决的关键问题。
二、研究内容与主要结论
研究人员开发了一种基于原位合成HAp@CuO纳米杂化材料的电化学传感平台用于吡罗昔康的灵敏测定。通过一锅原位合成策略，将氧化铜纳米颗粒同时合成并整合进羟基磷灰石基质中，形成均匀的纳米杂化结构。该复合材料首次被应用于吡罗昔康的电化学测定。研究人员采用基于三因素三水平Box-Behnken实验设计的响应面法系统优化了溶液pH、修饰剂含量和电位扫描速率等关键参数。实验结果表明，HAp@CuO纳米杂化修饰的碳糊电极对吡罗昔康的氧化表现出显著的催化增强效应，氧化峰电流较裸碳糊电极提高约3.6倍，氧化电位负移至约0.61 V。该传感器展现出高选择性、良好稳定性和优异的实际样品分析性能，成功应用于药物制剂和尿液样本中吡罗昔康的测定，并与HPLC-UV方法进行了对比验证。这一研究为吡罗昔康的快速、灵敏、低成本检测提供了新策略，具有重要的临床应用潜力。
三、关键技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：原位一锅合成法制备HAp@CuO纳米杂化材料，以磷酸和氯化铜为磷源和铜源，氢氧化钙为钙源，在80°C、pH约9.0条件下沉淀反应后经500°C煅烧3小时获得产物，合成产率达90.6%；采用粉末X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）结合能量色散X射线光谱（EDX）以及傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对材料进行结构与形貌表征；制备碳糊电极（CPE）并将HAp@CuO纳米杂化材料按优化比例15.5 wt%掺入电极；采用方波伏安法（SWV）和循环伏安法（CV）进行电化学测量；应用Box-Behnken实验设计结合响应面法（RSM）优化实验条件。真实样本包括药物胶囊制剂、0.5%外用凝胶、健康志愿者尿液样本以及服用10 mg吡罗昔康患者12小时后的血浆样本。
四、研究结果
4.1 HAp@CuO纳米杂化材料的表征
通过SEM和TEM分析确认了HAp@CuO纳米杂化材料的形貌特征。SEM图像显示材料表面呈现异质且高度纹理化的形貌，由密集堆积的纳米级聚集体组成不规则团簇，形成粗糙多孔的三维网络结构。TEM图像证实复合材料由纳米级颗粒组成，颗粒尺寸通常在几十纳米以下，对比度差异暗示羟基磷灰石和氧化铜两相共存。EDX分析检测到氧、磷、钙和铜四种元素，其中氧约占51.16%，钙占30.46%，磷占15.58%，铜约占2.80%，证实了复合材料的成功形成且无显著杂质。XRD分析确认羟基磷灰石为复合材料中的主要晶相，与六方HAp（JCPDS 09-0432）特征反射吻合，虽未清晰分辨CuO衍射峰，但归因于CuO含量较低且高度分散于HAp载体上。FT-IR光谱显示568和604 cm-1处O-P-O磷酸基团弯曲振动峰及1043 cm-1处P-O键伸缩振动峰，与结晶良好的含少量碳酸根的HAp特征一致。
4.2 吡罗昔康的电化学行为
在pH 7.0磷酸盐缓冲液中采用循环伏安法评估了吡罗昔康在三种不同电极上的电化学响应。裸碳糊电极上吡罗昔康在约0.69 V处产生微弱阳极信号，反向扫描无阴极峰，表明氧化过程不可逆。羟基磷灰石修饰电极使氧化响应略有增强。HAp@CuO纳米杂化修饰电极则表现出显著增强：阳极峰电流较裸电极提高约3.6倍，氧化电位负移至约0.61 V，表明复合材料提供了显著的电催化效应，归因于氧化铜纳米颗粒在羟基磷灰石-碳基质中的掺入增强了活性表面特性并促进了更快的电子转移。
4.3 电活性表面积的测定
采用Randles-Sevcik方程，以1.0×10-3 mol L-1的[Fe(CN)6]-3作为氧化还原探针在0.1 mol L-1 KCl溶液中通过循环伏安法测定了裸碳糊电极和HAp@CuO纳米杂化修饰碳糊电极的电活性表面积，以阐明表面修饰对增强电化学响应的贡献。
4.4 Box-Behnken实验设计优化
采用基于三因素三水平Box-Behnken设计的响应面法优化吡罗昔康电氧化条件。三个独立变量为支持电解质pH（5.0-9.0）、修饰剂含量（5.0-25.0 wt%）和扫描速率（30.0-80.0 mV s-1），共进行15次实验，中心点重复3次以估计实验误差。数据拟合至二次多项式模型，通过方差分析（ANOVA）以95%置信水平检验模型适用性和统计显著性，采用决定系数（R2）、失拟检验和F检验验证模型可靠性。三维响应面图用于可视化响应随变量变化趋势并确定最优条件。优化结果表明修饰剂比例固定为15.5 wt%。
4.5 实际样品分析
研究人员将该传感器应用于药物制剂（胶囊和凝胶）及人体尿液和血浆样本中吡罗昔康的测定。尿液样本经离心、0.45 μm膜过滤后以磷酸盐缓冲液稀释5倍；血浆样本经三氯乙酸沉淀蛋白后离心取上清液稀释；胶囊制剂经研磨、乙醇溶解、离心去除不溶性辅料后稀释至100 μM；凝胶制剂经NaOH-乙醇混合溶液超声提取后过滤定容。所有样品均在优化条件下测定，并通过加标回收实验评估方法准确度，同时采用HPLC-UV进行对比验证。
五、讨论与结论
该研究通过原位合成策略成功制备了HAp@CuO纳米杂化材料，并将其应用于吡罗昔康的电化学灵敏测定。研究表明，氧化铜纳米颗粒在羟基磷灰石基质中的整合提供了丰富的活性位点并促进了高效电子转移，显著增强了修饰电极对吡罗昔康氧化的电催化活性。Box-Behnken设计结合响应面法有效优化了关键实验参数，减少了实验次数并提高了优化效率。该传感器具有制备简单、成本低廉、响应快速、选择性高和稳定性好等优点，在药物制剂和生物样本中吡罗昔康的测定中展现出良好的实际应用性能，为吡罗昔康的临床监测和药物质量控制提供了有价值的分析平台。
