山核桃果仁衍生碳量子点修饰电极用于伏诺拉生的灵敏电化学测定：一种绿色分析方法

《Scientific Reports》：Pecan nut–derived carbon quantum dots–modified electrode for sensitive electrochemical determination of vonoprazan using a green analytical approach

　　

研究人员开发了一种新型、环境友好的电分析传感器，通过将生物质衍生的碳量子点（carbon quantum dots, CQDs）修饰碳糊电极，用于富马酸伏诺拉生（vonoprazan fumarate, VON）的测定；这代表了传统依赖合成材料和复杂制备工艺的CQDs传感器的一种可持续、富含缺陷且有效的替代方案。研究人员以山核桃（Carya illinoinensis）为原料，采用微波辅助溶剂热法合成CQDs，所得CQDs具有丰富的官能团和量子限域效应，并通过X射线光电子能谱（XPS）结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）、荧光光谱、紫外-可见光谱（UV–Vis）、透射电子显微镜（TEM）及扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM–EDX）予以证实。电化学阻抗谱（EIS）显示界面电子转移动力学和电催化活性增强，突出表明CQDs修饰传感器电极性能的提升及其对灵敏度和选择性改善的直接贡献。采用差分脉冲伏安法（DPV）定量测定VON，检出限（LOD）达0.39 nM，定量限（LOQ）为1.19 nM，在10–100 nM范围内呈线性响应（R² = 0.9992）。该方法满足国际验证标准对准确度、精密度和稳健性的要求，并成功应用于药物制剂、加标人血浆样品和实验室配制的工业废水。这项工作满足了对药物分析物进行灵敏、可靠、生态友好检测日益增长的需求，提供了一种通用、可持续且有效的传感平台。

胃酸介导的胃肠道疾病，包括幽门螺杆菌感染、消化性溃疡病（PUD）和胃食管反流病（GERD），患病率高且并发症严重，临床治疗和监测需要可靠的分析工具。富马酸伏诺拉生（VON）是新型钾竞争性胃H⁺/K⁺-ATP酶抑制剂，具有起效快、耐酸和药效持久的特点。现有色谱法（如LC–MS、HPLC、RP-HPLC、UHPLC）灵敏可靠，但仪器复杂、样品处理繁琐；光谱法操作简单但易受基质干扰；电化学法响应快、灵敏度高，却受限于缓慢的界面电子转移动力学。碳量子点（CQDs）因纳米尺寸、高比表面积、可调电子性质和丰富表面官能团而受到关注，但生物质来源CQDs用于VON电化学测定的研究仍较少。为此，研究人员利用山核桃果仁制备CQDs并构建修饰碳糊电极，旨在以绿色可持续方式实现VON的灵敏、选择性检测。该论文发表在《Scientific Reports》。

研究人员采用微波辅助溶剂热法从山核桃（Carya illinoinensis）合成CQDs，将其掺入碳糊电极构建CQDs/CPE传感器，通过多种表征手段确认其形貌、表面官能团、光学特性和元素组成；利用电化学阻抗谱和伏安法评价界面电子转移与分析性能。结果表明，所构建传感器在10–100 nM范围内线性良好，LOD达0.39 nM，并成功应用于药片、加标人血浆和模拟工业废水，体现出绿色、灵敏、实用的分析价值。

**关键技术与方法**：CQDs由市售山核桃果仁（Abu Auf, Cairo, Egypt）经微波辅助溶剂热法合成；采用TEM、HRTEM、FTIR、XPS、UV–Vis、PL、SEM–EDX表征材料；EIS评价界面电子转移动力学；CV研究VON氧化行为；DPV优化并定量；按国际验证指南评价准确度、精密度、稳健性、稳定性、选择性和干扰；应用基质包括Topoprazan^?片（Hikma Pharmaceuticals, Egypt）、加标人血浆和实验室制备的合成工业废水；采用Analytical Eco-Scale、AGREE、Complex GAPI、BAGI和RGB12五种绿色指标评估可持续性。

**研究结果**

**CQDs的结构与理化评价及功能化电极的电化学行为**

- **纳米形貌与结晶性**：TEM显示CQDs为单分散、准球形颗粒，平均粒径3.35 nm，HRTEM晶格间距为0.18 nm，表明存在部分有序石墨碳结构。
- **表面化学与官能团结构**：FTIR和XPS证实CQDs富含O–H、C–H、C=O、C=C、C–O等含氧官能团及结构缺陷，有利于分析物吸附和电荷转移。
- **光学与电子结构**：UV–Vis在325 nm和420 nm处有吸收，PL在440 nm处有强发射，归因于缺陷介导的辐射复合，表明存在电活性表面缺陷。
- **微观结构与元素组成**：SEM–EDX仅检出碳和氧，无金属杂质，证明CQDs纯度高。
- **界面电子转移动力学**：EIS显示CQDs修饰后电荷转移电阻（R_ct）从2.026 kΩ降至0.165 kΩ，Warburg系数减小，表明界面电子转移、扩散和质量传输性能显著增强。
- **合成CQDs的批次间一致性与重现性评估**：三批独立合成CQDs在粒径、荧光、表面化学和DPV响应上变异小，证明该方法具有良好可重复性和规模化潜力。

**VON在CQDs修饰碳糊电极上的电化学行为**：CV显示VON在约1.1 V处出现不可逆阳极峰；扫描速率研究表明氧化过程以扩散控制为主，I_p–ν^1/2和Cottrell图均呈良好线性；Randles–Sevcik计算表明电活性面积由0.004 cm²增至0.008 cm²，证实CQDs显著提升电催化活性。

**VON电化学氧化的可能机理**：E_p–pH斜率为?0.030 V/pH，Laviron分析得电子数n≈2，支持两电子/一质子耦合电子转移（PCET）机理，氧化涉及末端胺形成共轭亚胺类结构。

**伏安方法优化与参数评价**：

- **pH与支持电解质的影响**：pH 9时峰电流最大，0.04 M Britton–Robinson缓冲液（BRB）优于硼酸盐缓冲液。
- **电极表面修饰对电化学响应的影响**：CQDs/CPE的响应显著优于裸CPE及MWCNTs、CdO、ZnO修饰电极；空白实验排除PEG-400的干扰。
- **CQDs界面负载体积的优化**：20 μL CQDs负载量给出最佳电流响应，过高负载反而增加传质阻力和背景电流。
- **差分脉冲伏安参数的优化**：最佳扫描速率100 mV/s，脉冲振幅50 mV。

**所提出方法的分析性能**：在优化条件下，VON在10–100 nM范围内线性关系良好，回归方程为I_p = 0.0977 conc (nmol L^?1) + 0.55，R² = 0.9992；LOD为0.39 nM，LOQ为1.19 nM。

**方法验证**：

- **准确度**：三个浓度水平的回收率接近理论值，系统偏差小。
- **精密度**：日内RSD为0.54–0.64%，日间RSD为0.48–0.77%，重现性良好。
- **稳健性**：微小改变步进电位、脉冲振幅、扫描速率和pH，峰电流基本不受影响。
- **稳定性与可重复使用性**：10次连续扫描保留>98%信号，14天冷藏保留>95%，20次循环信号损失<5%，独立电极制备RSD为2%。
- **选择性与干扰评价**：与艾司奥美拉唑、阿莫西林、左氧氟沙星、抗坏血酸、尿酸及常见辅料共存时，VON信号变化<5%，峰位分离清晰。

**在药物制剂、生物体液和环境样品中的方法性能研究**：该方法准确测定Topoprazan^?片剂中VON，加标人血浆回收率和精密度符合生物分析要求，模拟工业废水中亦可可靠测定，表明方法适用性广。

**所开发分析方法的比较评价**：与色谱法、光谱法及已报道电化学法相比，CQDs/CPE传感器合成简便、原料可再生、灵敏度高，且无需复杂衍生或多步修饰。

**方法绿色性与环境相容性评价**：五种绿色指标均优于参比RP-HPLC法，分别为Analytical Eco-Scale 90（参比83）、AGREE 0.83（0.56）、Complex GAPI 1红3黄11绿（3红8黄4绿）、BAGI 75（65）、RGB12 95.9（80.9），证明该方法具有更低环境足迹和更高可持续性。

**讨论与结论**：讨论部分强调，CQDs的缺陷位点和含氧官能团是增强电子转移动力学和电催化响应的关键；与依赖合成材料或复杂修饰的传感器相比，生物质来源CQDs结合一锅式合成提供了可持续分析平台。研究结论指出，该绿色伏安传感器以山核桃CQDs为可再生纳米材料，显著增强界面电子转移动力学和电化学响应，同时减少有害试剂和溶剂使用；方法精密度、稳健性和操作简便性良好，在药物制剂、加标血浆和模拟工业废水中均适用。该工作将可持续合成、缺陷工程电化学增强和实际样品验证整合于单一平台，为药物和环境监测领域下一代绿色传感器提供了有前景的方向。