基于氧化锌纳米粒子的布瑞普利唑可持续电化学检测方法：通过多准则环境友好性评估工具进行验证

《Microchemical Journal》：Sustainable electrochemical sensing of Brexpiprazole: A zinc oxide nanoparticle-based approach evaluated by multi-criteria eco-friendliness assessment tools

　　

Marwa S. Shahin|Amr M. Mahmoud|Yasmin Rostom|Hala E. Zaazaa|Mona T. Ragab

• •
  一种新型ZnO纳米粒子传感器，可快速、高精度地现场检测布瑞普利唑。
• •
  经纳米粒子改性的碳糊电极具有稳定性、更高的灵敏度以及更低的检测限。
• •
  可在加标血浆样本中准确定量布瑞普利唑。
• •
  通过绿色、蓝色和白色分析化学指标对方法的可持续性进行评估。

引言

精神分裂症是最为严重的心理健康问题之一[1]，患者常出现阳性症状、阴性症状、情感症状及认知症状，这些症状会影响其日常生活功能[2]。抗精神病药物是治疗精神分裂症及多种精神疾病的心理药理学治疗的基石，这类药物可分为两类：第一代抗精神病药（FGAs）和第二代抗精神病药（SGAs）[3]。与FGAs相比，SGAs在降低锥体外系副作用的发生率方面虽并非始终更有效，但优势更为明显[4]。为了确保这些活性治疗成分的有效性，进而提升精神分裂症患者的生活质量，必须对其现有剂型中的含量进行精确测定。此外，对于肾功能可能受损的老年患者而言，治疗药物监测尤为重要，因为肾功能异常会影响药物的代谢，进而引发不良副作用[5]。

布瑞普利唑（BRX）（7-{4-[4-(1-苯并噻吩-4-基)哌嗪-1-基]丁氧基}喹啉-2(1H)-酮）[6]（图1）已被美国食品药品监督管理局批准作为第二代抗精神病药物，它能以高亲和力与血清素（5-HT_A1和5-HT_2A）、去甲肾上腺素（alpha-1B和alpha-2C）以及多巴胺（D2）受体结合。布瑞普利唑被用于多种疾病的治疗，包括阿尔茨海默病痴呆引起的烦躁症状、13岁以上成人和儿童的 schizophrenia治疗，以及作为成人抑郁症患者的辅助用药来治疗重度抑郁症[7]、[8]。通过查阅相关文献，已有研究报道了多种用于测定BRX的色谱方法[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]，以及光谱化学方法[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]；而用于测定纯物质及各种剂型中BRX含量的电化学方法则仅有两种报道[27]、[28]。

近年来，电化学方法因其速度快、成本低、灵敏度高且样品前处理要求少等优点，逐渐成为备受关注的技术手段[29]、[30]、[31]、[32]。不过，电极材料的组成至关重要，因为它会直接影响测定的特异性和灵敏度，进而决定电化学分析的效果。碳糊电极作为工作电极具有很好的应用前景，它具有惰性、耐用、可再生且稳定的优点[33]、[34]。与银电极、金电极和铂电极相比，研究人员更倾向于使用碳糊电极，因为其充电背景电流较低、成本更低，且制备和改性较为简便[35]。通过添加不同的修饰剂，可以进一步提升碳糊电极的性能，提高其重复性、灵敏度以及电子转移速率，进而增强其对不同电活性物质的响应能力[36]、[37]、[38]。

氧化锌纳米粒子具有独特的性质，因此引起了研究人员将其作为电化学修饰剂的兴趣[39]、[40]。从电化学角度而言，氧化锌属于n型半导体，具有出色的机械性能和热稳定性，其激子结合能高达60?meV，带隙宽度为3.37?eV[41]。在生物医学领域，氧化锌具有生物相容性和无毒性[42]、[43]。纳米级的尺寸会大幅增加表面活性位点的数量，这些位点可作为氧化反应中的电子转移介质。此外，更大的表面积还有助于物质扩散，从而加快电子转移速度，提升电流响应值。在这种体系中，石墨由于其较大的表面积和稳定的支撑结构，为氧化锌纳米粒子的均匀分散提供了良好基础；而氧化锌纳米粒子则可通过提升导电性和强烈的催化活性来促进布瑞普利唑的氧化反应。这种组合不仅有助于实现快速的电子传输，还能减少其他电活性物质的干扰，进而提高方法的灵敏度和操作稳定性。

在合成氧化锌纳米复合材料时采用了原位共沉淀技术，从而使氧化锌纳米粒子能够实现均匀且稳定的分散。氧化锌纳米粒子的高导电性，再加上石墨基质所提供的较大表面积，共同促进了通过电子转移加速来高效氧化布瑞普利唑。为了对所合成的氧化锌纳米粒子进行表征，研究人员使用了扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱仪（SEM/EDX）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、透射电子显微镜（TEM）以及X射线衍射分析技术（XRD）。对于未经处理的碳糊电极以及经过氧化锌纳米粒子改性的碳糊电极，还通过[Fe(CN)₆]^3?/[Fe(CN)₆]^4?氧化还原体系进行了循环伏安法电化学表征。

分析实验结果显示，该方法在线性浓度范围内都能给出准确的结果，且检测限极低，重复性好，长期稳定性强，即使在加标血浆样本中也不会出现信号衰减现象。与现有的仅适用于纯物质或药物制剂的布瑞普利唑伏安分析法相比，采用本文所述方法在加标人血浆样本中也成功实现了对布瑞普利唑的检测，其最低可检测浓度为4.15?×?10^?7?M。此外，还通过绿色分析程序指数（GAPI）[44]、分析绿色度AGREE指标[45]、白色分析化学RGB12指标[46]以及蓝色适用性等级指数（BAGI）[47]，对该方法的绿色程度进行了评估。同时，根据NQS指数，该方法的整体可持续性也符合联合国可持续发展目标的要求[48]。

上述各项技术的综合应用凸显出了所提出的氧化锌纳米粒子/碳糊电极方法的创新性、环境友好性以及临床应用潜力，使其成为常规质量控制分析、生化检测以及诊断测试领域的可靠选择。

各部分要点

仪器与软件

电化学分析方法：

• •
  采用了由Metrohm公司生产的Autolab PGSTAT204恒电位仪/恒电流仪，该仪器通过NOVA 1.11软件进行控制。
• •
  电化学电池的组成包括：a) 经氧化锌纳米粒子改性的碳糊工作电极，b) 铅笔形辅助电极，c) Ag/AgCl参比电极。
• •
  为了调节pH值，使用了Jenway公司的pH计（型号3505，位于英国埃塞克斯郡）。
• •
  使用了80–2型电子离心机。
• •
  所使用的旋转真空浓缩器为Eppendorf公司的concentrator plus/vacufuge?型号产品。

氧化锌纳米粒子的形态与结构表征

通过扫描电子显微镜成像技术，观察到了所制备的氧化锌纳米粒子的表面形态特征（见图2a）。这些氧化锌纳米粒子呈现为高度聚集的白色细小圆形团块。此外，通过能量色散X射线光谱分析确认，这些纳米粒子中锌原子和氧原子的含量较高，而碳原子的含量则较少，这一现象可以归因于合成过程中使用了聚乙二醇作为添加剂（见图2b）。透射电子显微镜图像（见图3）显示，这些纳米粒子同样存在高度聚集的现象，大部分氧化锌纳米粒子都呈球形结构

结论

本研究开发出一种新型、绿色、快速且灵敏的电化学分析方法，可用于测定纯物质、市售制剂以及加标人血浆样本中的布瑞普利唑含量。该方法采用了经改性的氧化锌纳米粒子/碳糊电极，首先通过共沉淀法合成氧化锌纳米粒子，随后再利用SEM/EDX、TEM、XRD以及FT-IR等技术对它们进行表征。此外，还通过循环伏安法计算了该传感器的有效表面积，同时运用差分脉冲技术

CRediT作者贡献说明

Marwa S. Shahin：负责撰写原始稿件、方法验证、软件应用、方法设计、正式数据分析、数据整理以及概念构思工作。Amr M. Mahmoud：负责撰写文章的审阅与编辑工作，同时还承担研究指导、方法设计以及概念构思任务。Yasmin Rostom：同样参与文章的审阅与编辑，同时负责研究指导、方法设计以及概念构思工作。Hala E. Zaazaa：负责文章的审阅与编辑，同时承担研究指导、方法设计以及概念构思任务。Mona T. Ragab：负责撰写原始稿件，同时参与方法验证、软件应用、方法设计、正式数据分析以及数据整理工作

利益冲突声明

所有作者均声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。