3D原位RuO?/ZnO纳米复合材料用于生物流体中依托泊苷的非均相光催化降解：通过LC-HRMS鉴定鬼臼毒素衍生物

《Surfaces and Interfaces》：3D in situ RuO 2/ZnO Nanocomposite for Heterogeneous Photocatalytic Degradation of Etoposide in Biological Fluid: Identification of Podophyllotoxin derivatives by LC-HRMS

光催化降解依托泊苷的RuO?/ZnO纳米复合材料研究，通过原位浸渍法制备三维异质结材料，UV激发下实现60 ppm ETO 95.29%高效降解，电荷分离寿命提升19倍，机理涉及OH?、O??·自由基及电子转移，成功应用于尿液基质，副产物经LC-HRMS鉴定。

　　

V. M. Adhithya Venu | Daniel T. Thangadurai | D Nataraj | K Senthilkumar

印度泰米尔纳德邦哥印拜陀KPR工程技术学院化学系及纳米科学与技术中心，邮编641407

摘要

依托泊苷（ETO）是一种广泛使用的化疗药物，由于其代谢不完全而随后释放到水生系统中，因此对环境构成了显著风险。这种积累源于药物废物和人体排泄物，鉴于ETO本身具有细胞毒性和持久性，会导致环境毒性。为了符合联合国可持续发展目标6（清洁水和卫生设施），我们提出了一种新型的异质光催化降解ETO的方法。在本研究中，使用原位浸渍法合成了三维（3D）RuO₂/ZnO纳米复合材料，用于在紫外光下光催化降解ETO。制备好的3D纳米复合材料通过多种技术进行了严格表征，包括光谱学（XPS和Raman）、显微镜（FESEM、HRTEM和AFM）、结构分析（XRD）以及表面分析（BET）。UV-vis DRS分析显示，RuO₂/ZnO纳米复合材料的带隙能量降低到2.95 eV，而ZnO的带隙能量为3.07 eV。在pH 9条件下，使用初始ETO浓度为60 ppm进行了光催化降解实验，催化剂用量分别为10 mg、20 mg和30 mg；在pH 3条件下，催化剂用量为10 mg。值得注意的是，在最佳催化剂用量（10 mg）下，ETO浓度为60 ppm时，降解率达到了约95.29%。这种增强的光催化效率归因于异质结的形成、高吸收能力和电荷分离效果的提升。TCSPC研究表明，RuO₂/ZnO的平均寿命比ZnO（0.12 ns）延长了19倍（2.32 ns），表明光生电子-空穴对的分离效率高，活性位点更多，光催化效率更高。通过Mott-Schottky分析确定了RuO₂/ZnO的带边电位。自由基清除实验和EPR研究证实，ETO降解效率的提升是由于光生电子、OH和O₂自由基的存在。XRD证实，RuO₂/ZnO纳米复合材料在经过三次循环实验后仍具有高结构稳定性。该方法还成功应用于实际生物样本中，在100分钟内尿样中的ETO降解率约为75%，凸显了RuO₂/ZnO纳米复合材料的实用价值。通过液相色谱-高分辨率质谱（LC–HRMS）鉴定了ETO的降解产物，其中包括市场上无法获得的鬼臼毒素衍生物。此外，我们还研究了催化剂用量、pH值、反应时间和可重复使用性对ETO降解动力学的影响。这些发现表明，RuO₂/ZnO纳米复合材料是一种可持续且有效的药物污染物去除方法。

引言

化疗药物如依托泊苷（ETO）、环磷酰胺（CPP）、多柔比星（DR）和顺铂（CP）在肿瘤学中得到广泛应用，因为它们能破坏细胞的关键机制，包括有丝分裂进程和DNA复制[[1], [2], [3]]。尽管这些药物已被证明具有治疗效果，但它们也具有显著的细胞毒性、基因毒性和抗有丝分裂作用[4,5]。因此，这些药物不仅对患者和医疗人员构成潜在危害，也对环境造成威胁。这种环境风险尤其通过它们进入水生系统而加剧，主要途径是排泄和不当处理[6,9]。根据世界卫生组织（WHO）的解剖治疗化学（ATC）分类系统，ETO（C₂₉H₃₂O₁₃，分子量588.5 g/mol）是一种广泛使用的化疗药物，用于治疗儿童和成人患者的小细胞肺癌、淋巴瘤、乳腺癌、睾丸癌及多种白血病[10]。ETO主要作为拓扑异构酶II抑制剂发挥作用，这种机制会促进DNA链断裂，最终导致癌细胞死亡。ETO在肝脏中代谢，主要通过尿液排出体外[11]。

ETO的血浆半衰期约为4-11小时，这为它在清除前发挥治疗效果提供了足够的时间。虽然部分在体内代谢，但仍有相当一部分ETO以未改变的形式通过尿液和粪便排出。具体来说，44–60%的ETO通过尿液排出，超过16%通过粪便排出[12]。令人担忧的是，大量ETO以未代谢的形式通过尿液排出，成为环境污染的主要途径[13]。ETO以其活性形式持续存在，这引发了严重的生态问题，需要有效的降解策略来减轻其影响。废水中未代谢ETO的存在凸显了需要先进处理方法来防止其在水生生态系统中的积累。此外，与分散来源（如患者排泄）不同，制药生产和药品工业废水直接将更高浓度的ETO引入水生系统，常常绕过市政处理设施[14,15]。

虽然已有报道指出使用白腐真菌可以在6天内实现ETO 98.7%的降解[16]，以及使用锶锡酸盐（SrSnO₃在10小时内实现97.98%的降解[17]，但在复杂基质（如尿液）中研究ETO的降解仍十分重要。传统方法（如活性污泥和标准生物过程）需要数天或数小时才能降解ETO[18]。然而，这些方法往往因水力停留时间短而不适合ETO的缓慢降解动力学。因此，人们对替代策略产生了兴趣，高级氧化过程（AOPs）在降解顽固性药物方面显示出巨大潜力[19]。

金属氧化物（MOs）作为光响应半导体，通过生成活性氧物种（ROS）促进高级氧化过程（AOPs），从而有助于药物降解。MOs常被用作光催化剂，因为它们具有化学稳定性、驱动氧化还原反应的能力以及成本效益[20]。其中，ZnO是一种出色的光催化剂，可用于去除环境中的各种有机污染物[21]。然而，由于ZnO的复合过程较快且光吸收范围窄，其光催化效率较低。为克服这些缺点，人们探索了基于ZnO的异质纳米复合材料以改善光催化性能。通过微波辅助原位沉淀法制备的ZnO/RuO₂复合材料在600°C下退火后，表现出可调的表面和体相氧空位以及高的电荷分离能力，成为高效的氢和氧生成催化剂[22]。使用沉淀法制备的RuO₂–ZnO光催化剂在700°C退火后呈现纤锌矿ZnO相和金红石RuO₂结构，在可见光下对靛蓝胭脂红的降解效率高达99%（80分钟）[23]。此外，通过简单浸渍法制备的Ru–RuO₂/TiO₂复合材料提高了电荷分离、光吸收和光电流密度，产生的可见光下氢气生成量（2.5 mmol g^-1 h^-1）高于原始TiO₂（0.16 mmol g^-1 h^-1）[24]。在这些方法中，原位浸渍法非常适合制备高光催化活性的RuO₂/ZnO纳米复合材料。当这些MOs结合使用时（例如在RuO₂/ZnO系统中），其综合性能通常优于单个组分，因为它们具有高的光吸收能力和增强的光生电荷载体分离效果。RuO₂提供了高电导率和良好的抗光化学降解能力[25]，而ZnO凭借其宽带隙（Eg ≈ 3.23 eV）捕获入射光子并促进电荷载体的生成[26]。结合这些互补特性，RuO₂/ZnO纳米复合材料增强了电荷分离、减少了复合损失，并提高了抗光腐蚀能力，从而提升了整体光催化活性[22]。这种协同作用使纳米复合材料在降解ETO等药物污染物方面具有巨大潜力。关键的是，它提供了一种可持续的方法，甚至可以从复杂的生物基质（如尿液）中去除污染物。

当前研究聚焦于ETO的降解过程，特别是其转化产物的形成和鉴定。为此，通过将ZnO原位浸渍到RuO₂中制备了RuO₂/ZnO纳米复合材料，用于高效光催化降解ETO。在该复合材料中，RuO₂提高了电导率和稳定性[27]，而ZnO纳米颗粒（NPs）作为主要光催化剂[28]，主动吸收紫外线并促进电荷载体的生成。研究系统地考察了操作参数（包括反应时间、pH值和催化剂用量）对降解效率的影响。为了鉴定降解产物，使用液相色谱-高分辨率质谱（LC–HRMS）检测ETO降解过程中形成的中间体和最终转化产物。这项研究不仅为药物污染的修复提供了新方法，还有助于新药物的发现。

材料

纯度超过99%的醋酸锌（Zn(CH₃COO)₂.2H₂O从印度Nice Chemicals购买。纯度超过99%的三氯化钌（RuCl₃·xH₂O从Sigma Aldrich获得。依托泊苷从当地药店购买。氢氧化钠（>99%）和盐酸（>99%）也来自印度Nice Chemicals。

ZnO纳米颗粒的制备

ZnO纳米颗粒是通过热分解法制备的[29]。

RuO₂/ZnO纳米复合材料的制备

通过原位浸渍技术制备了RuO₂/ZnO纳米复合材料。

结果与讨论

ETO的pKa值为9.8，在生理条件下主要以未电离状态存在，这影响了其吸收和分布。该药物的logP值为1.16，表明其具有平衡的亲水-疏水性质，有助于细胞膜穿透，同时限制了在脂肪组织中的过度积累。这些综合特性决定了该药物在体内的行为，为其临床应用和排泄后的环境排放提供了依据[10]。

结论

总之，通过浸渍法制备了3D RuO₂/ZnO纳米复合材料，并对其性质进行了系统研究。XPS和EPR分析确认了Ru⁴⁺物种和富集的氧空位缺陷状态，增强了活性位点和界面电荷分离。Mott–Schottky分析显示n型行为，ZnO的平带电位为-0.17 V，RuO₂/ZnO的平带电位为+0.81 V（相对于NHE），表明形成了肖特基型异质结和高效的电子转移。

CRediT作者声明

V. M. Adhithya Venu：概念设计、方法论、实验设计、数据整理、正式分析及初稿撰写；T. Daniel Thangadurai：撰写、审稿与编辑、监督、验证、研究、数据整理；D. Nataraj：拉曼光谱和TCSPC实验、数据整理、撰写、审稿与编辑；K. Senthil Kumar：密度泛函理论（DFT）分析、数据整理、撰写、审稿与编辑。

注释

作者之间没有利益冲突。

未引用的参考文献

[7,8,33]

CRediT作者贡献声明

V. M. Adhithya Venu：验证、方法论、研究、正式分析、数据整理、概念设计。Daniel T. Thangadurai：撰写、审稿与编辑、验证、监督、研究、资金申请、数据整理。D. Nataraj：数据整理、正式分析、撰写、审稿与编辑。K. Senthilkumar：数据整理、正式分析、撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

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致谢

作者VMAV（研究学者）和TDT（教授）衷心感谢Council of Scientific and Industrial Research（CSIR，授权号03/1494/23/EMR-II）的新德里分部的财政支持。作者们也非常感谢哥印拜陀KPRIET的研究设施；Kottayam的马哈塔玛·甘地大学的CIF；哥印拜陀Bharathiar大学的Prabha副教授；以及KPR工程技术学院的Siva Kumar博士；还有Varsha女士等。