电解质诱导的电子活化及头孢呋肟的界面阻塞现象：光学与阻抗研究

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Electrolyte-induced electronic activation and interfacial blocking of cefuroxime: An optical and impedance study

头孢呋辛的电解质和pH依赖性光学电子结构与界面电荷转移行为存在解耦现象，通过UV-Vis/Tauc分析和电化学阻抗谱证实溴离子增强电子激活但加剧界面吸附 blocking效应。

　　

M.A. Radoi | B. Tutunaru

克雷奥瓦大学理学院科学博士研究生院，A.I. Cuza 13号，200585 克雷奥瓦，罗马尼亚

摘要

抗生素污染物的电化学活性通常从分子电子活化或界面电化学动力学两个方面进行讨论，但这两个方面很少同时进行评估。在本研究中，我们提供了一种结合光学和电化学的分析方法，揭示了之前被忽视的光学带隙调制与界面电荷转移行为之间的脱耦现象。以头孢呋辛（CFRX）作为模型β-内酰胺类抗生素，系统地研究了卤化物支持电解质（NaF、NaCl、NaBr）在酸性、中性和碱性条件下对分子电子结构及电极-溶液界面性质的影响。紫外-可见光谱结合Tauc分析表明，电解质和pH值会影响光学带隙的窄化，其中溴化物引起的电子活化效果最强。相比之下，电化学阻抗谱显示，在相同条件下，由于吸附增强和界面阻塞效应，电荷转移阻力增加，双电层电容减小。通过将光学活化与阻抗谱得到的界面参数直接关联，本研究证实光学带隙的减小并不能直接反映控制电化学活性的界面电荷转移行为。这些发现强调了电解质诱导的界面可及性是一个关键但常被忽视的因素，对电化学水处理过程具有重要意义，并为反应性预测提供了机制上的见解，而不仅仅是降解速率的直接测量。

引言

β-内酰胺类抗生素，特别是头孢菌素，由于其广谱抗菌性、良好的安全性以及在人类和兽医医学中的广泛应用，成为现代临床实践中最重要的抗菌剂之一[1]。在头孢菌素中，头孢呋辛及其口服活性前体头孢呋辛醋酸酯被广泛用于治疗呼吸道、泌尿系统、骨骼、关节和术后感染。头孢呋辛醋酸酯的酯化结构容易形成几何异构体和位置异构体（抗型及3-头孢呋辛醋酸酯），这些杂质或降解产物会对稳定性、生物利用度和药代动力学性能产生显著影响[2]。 为克服头孢呋辛醋酸酯的药代动力学限制，人们开发了先进的药物递送策略，如胃滞留型浮剂剂型，可延长其在胃中的停留时间并增强上消化道的吸收[3]，以及生物相容性载体系统（如多孔磷酸钙和二氧化钛纳米管），这些系统能够实现局部和可控的头孢呋辛递送，用于治疗骨髓炎和预防假体周围感染，同时保持药物浓度高于最低抑制浓度并减少全身暴露[4][5]。 为了准确测定药品和生物样本中的头孢呋辛及其衍生物含量，人们开发了先进的分析方法，高效液相色谱（HPLC）和液相色谱-质谱（LC-MS/MS）已成为药代动力学、生物等效性和治疗药物监测研究的金标准[6][7][8]，而亲水相互作用液相色谱-超高效液相色谱-质谱（HILIC-UPLC-MS/MS）则能够在常规临床环境中使用最小样品量实现超快速分析[9]。 除了色谱方法外，电分析技术也成为测定头孢菌素的强大工具。差分脉冲极谱法和伏安法具有高灵敏度和优异的精度，即使在复杂的生物样本中也能检测到微量的头孢呋辛[10][11]。详细的电化学研究阐明了头孢呋辛醋酸酯的还原和氧化行为，有助于更好地理解其在生物相关条件下的电化学机制[12]。最近，人们探索了在掺硼金刚石电极上对头孢菌素的高电位阳极氧化，发现了与头孢菌素侧链相关的结构-响应关系，并实现了批量和流动注射条件下的灵敏电化学检测[8]。这些方法不仅可以选择性定量单个头孢菌素，还可以估算复杂药品、生物医学和环境样本中的总头孢菌素含量[13]。此外，伏安研究还揭示了头孢菌素与必需金属离子或有毒金属离子之间的配位现象，为分析、环境和毒理学应用提供了宝贵信息[13]。 基于头孢菌素受控碱性降解的光谱荧光法和动力学方法也被证明是测定药品制剂和生物样本中头孢呋辛的有效方法[14][15]。补充的光谱光度学研究提供了关于头孢呋辛氧化降解途径的动力学和机制信息，有助于识别反应中间体和降解产物[16]。 除了临床意义外，头孢菌素的广泛使用也导致其在环境中的频繁检出，包括废水、地表水、土壤和活性污泥中[17][18]。尽管头孢菌素通常被认为在环境中不稳定，但越来越多的证据表明，其转化产物可能持续存在，在某些情况下甚至比母体化合物更具毒性[17]。头孢呋辛的环境残留物与抗生素耐药细菌和耐药基因的传播有关，对公共卫生和生态系统稳定性构成重大威胁[19][20]。因此，需要使用高灵敏度的多残留分析方法（如超高效液相色谱-质谱（UHPLC-MS/MS）来监测动物源性食品和环境样本中的头孢菌素[18][21]。 传统的废水处理过程往往不足以完全去除头孢菌素，这促使了先进修复技术的发展[19]。高级氧化工艺（包括光降解、臭氧化和基于UV/H?O?的系统）在降解和部分或完全矿化头孢菌素方面表现出高效[19][22][23]。动力学和机制研究利用色谱和质谱技术明确了羟基自由基的主导作用，并确定了关键的氧化中间体[23]。 生物和生物电化学方法已成为从受污染环境中去除头孢菌素的有前景的可持续替代方案。集成生物电化学系统实现了高达98%的头孢呋辛去除效率，同时减少了有机负荷和抗生素耐药基因的丰度[24][25]。采用细菌菌株或可食用真菌的生物修复策略实现了头孢呋辛及相关头孢菌素的近乎完全降解，降低了转化产物的生物毒性[26][27]。此外，基于微藻的系统在碳酸氢钠存在下表现出增强的头孢呋辛降解效果，碳酸氢钠能刺激藻类代谢活性并加速转化过程[28]。 从更广泛的角度来看，电化学方法的进步以及纳米材料（如金纳米颗粒）的集成为研究电极-溶液界面上药物和生物化合物的生物电化学行为提供了新的视角[29]。这些方法为开发用于实时监测复杂样品中抗生素的创新传感器和分析平台奠定了基础[29]。 总体而言，头孢呋辛和头孢呋辛醋酸酯是具有跨学科重要性的化合物，其复杂的化学行为和环境归趋值得进行深入的电化学和生物电化学研究。本研究旨在深入理解它们的电化学响应，以支持改进的分析监测和影响评估。

材料

本研究使用的是市售的可注射粉末形式的头孢呋辛（CFRX，每瓶750毫克，Cefuroxime Atb?，Antibiotice a+），其中活性成分为头孢呋辛钠。作为卤化物支持电解质选择了氟化钠、氯化钠和溴化钠。所有盐类均由Merck（德国）提供，纯度高于99.5%，无需额外纯化即可使用。制备了不同浓度的 aqueous 标准溶液。

方法

电化学阻抗谱测量使用VoltaLab 40电化学分析仪进行，通过VoltaMaster 4软件操作。所有实验均在流体力学条件下进行，通过以300 rpm的速度连续磁力搅拌电解质来实现。测量采用三电极配置，每个电极的暴露表面积为1平方厘米。饱和的Ag|AgCl（KCl_sat）电极作为参比电极。

头孢呋辛在水性卤化物电解质中的比较Tauc分析

使用紫外-可见光谱和Tauc分析系统研究了头孢呋辛（CFRX）在水介质中的光学性质，旨在阐明支持电解质（NaF、NaCl、NaBr）和溶液pH值（2、6和12）如何调节分子的电子结构。所得Tauc图（图1、图2）显示了明显且高度系统性的有效光学吸收边缘能量的变化（以下简称Tauc衍生的光学参数）。

结论

本研究通过结合光学电子结构分析和界面电化学表征，提供了头孢呋辛（CFRX）电化学活性的机制见解。紫外-可见光谱/Tauc和电化学阻抗谱的联合方法表明，分子电子活化与界面电荷转移行为本质上并不等同，在特定的电解质和pH条件下可能会发生脱耦。

CRediT作者贡献声明

M.A. Radoi：软件、资源、研究、资金获取、数据分析、数据管理。B. Tutunaru：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、项目监督、方法论设计、概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Bogdan Tutunaru与克雷奥瓦大学存在雇佣关系。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。