《Microchemical Journal》：Cu@MWCNTs-based electrochemical sensor for ultrasensitive detection of metformin in water samples
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基于Cu(II)-MWCNTs复合材料的甲福明高灵敏电化学传感器研究，通过cation-π相互作用增强药物吸附与电催化活性，实现0.5-10 μM双线性检测范围，最低检测限7.5 nM，在真实水样中检测回收率达90.5%-109.5%。
王磊|吴凌霞|龚文波|顾传涛|黄朝阳|谭伟强|马继平
青岛理工大学环境与市政工程学院，中国青岛市266033
摘要
二甲双胍（MET）是治疗2型糖尿病的一线药物，在人体内不会被代谢，几乎以原形排出体外，现已被认定为一种新兴的环境污染物，对生态和健康构成重大风险。本研究开发了一种高灵敏度的电化学传感器用于检测MET，该传感器以Cu(II)修饰的多壁碳纳米管（Cu@MWCNTs）作为传感界面。MWCNTs具有优异的导电性和较大的表面积，显著提高了电子转移速率，并为Cu(II)的吸附提供了大量活性位点。Cu(II)与MET之间的配位作用使大量MET在修饰电极表面积累。由于MWCNTs和Cu(II)的协同效应，基于Cu@MWCNTs的传感器对MET的氧化具有出色的电催化活性，并且对常见干扰物质具有良好的选择性。该传感器的检测范围分别为0.5–1.6 μM和1.7–10 μM，检测限分别为7.5 nM和140 nM，表现出优异的分析性能。该传感器已成功用于实际水样中MET的检测，回收率达到了90.5%–109.5%。这项工作为监测水系中的MET污染物提供了一种有效方法，对于及时进行风险评估和主动环境预警具有重要意义。
引言
二甲双胍（MET）是一种广泛使用的抗糖尿病药物，在环境中具有显著的持久性（半衰期>30天）并在水生环境中发生生物累积[1]，[2]。MET在人体内几乎不被代谢，药代动力学研究表明，约98–100%的给药剂量通过肾脏和粪便途径以原形排出[3]，[4]。MET在未经处理的废水中也表现出很高的稳定性，即使经过21天后其浓度也几乎没有变化[5]。MET在全球水生环境中普遍存在，在91个国家都有发现，主要存在于地表水、雨水和废水中[6]。最近的研究表明，中国多地地表水中存在大量MET，已在31个省级行政区域的29条主要河流中检测到[7]。这种全国范围内的分布模式凸显了MET在水生生态系统中的广泛扩散和持久性，这可能是由于其在高剂量用于糖尿病治疗以及传统污水处理厂去除效率有限所致[8]。值得注意的是，MET已被列为一种需要重点关注的新兴污染物，因为它可能干扰内分泌系统。尽管关于MET直接环境影响的科学研究尚不充分，但饮用水氯化过程中会产生两种有毒的消毒副产物Y（C?H?ClN?）和C（C?H?ClN?）[9]。这些氯化衍生物的生物毒性比母体化合物MET更强[10]，[11]。这些发现共同表明MET对生态环境构成了双重威胁：其环境持久性促进了其广泛扩散，而转化产物则增加了生物风险。为降低风险，必须采取措施防止MET在源头转化为有毒的氯化副产物。灵敏地检测MET对于在水处理过程中有毒副产物形成之前提供早期预警至关重要，因此它是风险预防和控制的重要工具。
检测MET的分析方法可以根据其基本原理分为三类：色谱技术、光学方法和电化学方法。色谱法结合质谱或紫外检测技术是分离、鉴定和定量分析MET的主要方法，具有高灵敏度和良好的选择性[12]，[13]，[14]，[15]。光学方法主要基于MET与探针分子（如染料、纳米材料）之间的相互作用，导致光学信号（荧光和吸光度）的变化[16]，[17]。上述方法需要昂贵的仪器、复杂的样品制备程序和高度熟练的操作人员，通常仅限于实验室环境，大大限制了其在紧急情况和现场检测中的应用。电化学方法通过测量修饰电极表面氧化或还原过程产生的电信号（如电流或电位）来定量MET。为了提高检测灵敏度、选择性和操作稳定性，人们使用了多种具有优异电催化活性和信号放大能力的纳米材料作为传感平台，包括碳纳米材料[18]、金属有机框架（MOFs）[19]、贵金属纳米颗粒（如Au、Ag）[16]、石墨烯及其衍生物[20]，[21]、金属氧化物纳米颗粒[22]，[23]以及混合纳米材料[24]。碳纳米材料具有独特的物理和化学性质，使其在电子、医学、能量存储和环境修复等领域具有广泛的应用前景[25]，[26]，[27]，[28]。由于多层结构，多壁碳纳米管（MWCNTs）相比单壁碳纳米管（SWCNTs）具有明显的优势，如更强的机械强度、更高的热导率和化学惰性、通过简化合成协议实现经济高效的可扩展性、易于表面功能化且不影响核心性能，以及改善在复合基质中的分散性[29]，[30]。综上所述，这些优势使得MWCNTs成为传感和生物传感应用的首选材料。过渡金属离子可以通过阳离子-π相互作用吸附在碳纳米管表面，并与MET形成配位化合物[31]，[32]，[33]，从而使MET能够吸附并积累在修饰电极表面，显著提高电化学传感器的分析性能。
在本研究中，基于Cu(II)修饰的MWCNTs（Cu@MWCNTs）制备了一种新型电化学传感器，用于灵敏且选择性地检测MET。Cu@MWCNTs复合材料作为传感材料，提高了传感器的灵敏度和选择性。MWCNTs具有优异的导电性，促进了高效的电子转移，而Cu(II)能够与MET形成稳定的MET-Cu(II)复合物。大量Cu(II)通过阳离子-π相互作用吸附在MWCNTs表面，提供了大量与MET配位的活性位点，显著增加了可用于产生响应信号的MET局部浓度。利用MWCNTs和Cu(II)的协同效应，基于Cu@MWCNTs的传感器表现出快速响应、低检测限、高灵敏度和出色的抗干扰能力。此外，该传感系统已成功用于实际水样中MET的检测，回收率令人满意，显示出其在环境污染物监测方面的潜力。
化学试剂和材料
MWCNTs购自南京先锋纳米材料科技有限公司（中国）。壳聚糖（脱乙酰度≥75.0%，来自虾壳）由Sigma-Aldrich（美国）提供。盐酸二甲双胍（MET，纯度≥99.0%）由北京金明生物技术公司（中国）提供。CuSO?·5H?O（纯度≥99.0%）由天津瑞金特化工公司（中国）提供，N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度≥99.5%）由天津富宇精细化工公司（中国）提供。所有化学品均按原样使用，未进行任何处理。
Cu@MWCNTs的结构和形态
采用SEM和TEM研究了Cu@MWCNTs纳米复合材料的形态和结构特征。TEM图像（图1A）显示，MWCNTs的管状结构保持完整，Cu纳米颗粒（尺寸10–20 nm）牢固地锚定在MWCNTs表面。这种均匀的复合结构不仅提供了丰富的活性位点，还提高了导电性和稳定性。Cu@MWCNTs的能谱（EDS）图谱显示（见图S1）...
结论
本研究开发了一种基于Cu@MWCNTs的稳健可靠的电化学传感器，用于检测MET，具有高灵敏度和选择性以及良好的重复性。Cu@MWCNTs纳米复合材料作为优良的导电改性剂，提供了较大的表面积和丰富的催化位点，通过配位作用促进MET的有效积累，并增强了其电化学氧化，从而显著放大了响应信号。
作者贡献声明
王磊：撰写 – 原稿撰写、方法学设计、实验研究、数据分析。吴凌霞：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、项目监督、概念构思。龚文波：撰写 – 审稿与编辑、实验研究。顾传涛：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、项目监督。黄朝阳：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化。谭伟强：撰写 – 审稿与编辑。马继平：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22306105）和山东省自然科学基金（项目编号：ZR2022QB135、ZR2023MB145）的支持。
