氧化锰/铝锰酸盐的定制设计：一种用于追踪环境样本中药物污染物异烟肼的分析策略

《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》：Tailored design of manganese oxide/manganese aluminates: An analytical strategy for tracking pharmaceutical contaminant isoniazid in environmental samples

电化学传感器开发：基于Mn3O4/MnAl2O4复合材料的异烟肼检测，实现宽线性范围（0.089-566.73 μM）和高灵敏度（14.7 μA μM?1 cm?2），检测限达2.9 nM，选择性优异，适用于生物、医药及废水监测。

　　

Nandini Nataraj | Mahalingam Agalya | Tse-Wei Chen | Mysoon M. Al-Ansari | Samiha Hasan Alshehri | Shen Ming Chen

台湾国立台北科技大学化学工程与生物技术系，中孝东路1号3段，台北106

摘要

背景

由于人口增长和工业活动的加剧，地表水污染问题日益严重。为了保护生态系统免受污染，现代电分析传感器在检测药物方面表现出卓越的效率，这些传感器对样品量的要求较低，制备过程也相对简单。

方法

我们研究了一种基于二氧化锰/铝酸锰（Mn₃O₄/MnAl₂O₄）的电化学检测平台，用于分析环境样品中的抗结核药物异烟肼（INZ）。通过XRD和XPS对复合材料的形态、结构和电化学性质进行了全面量化；同时利用FESEM、TEM、FTIR和拉曼光谱分析了其形态、官能团的存在以及分子振动特性。

重要发现

使用由Mn₃O₄/MnAl₂O₄制成的玻璃碳电极（GCE），在0.1 M磷酸盐缓冲液（PBS）作为支持电解质的情况下，通过循环伏安法和差分脉冲伏安法成功检测到了异烟肼。Mn₃O₄/MnAl₂O₄/GCE对异烟肼的检测范围为0.089 – 566.73 μM，检测限为0.0029 μM（相当于2.9 nM），灵敏度约为14.7 μA μM^?1 cm^?2。与异烟肼相互作用的化合物几乎没有出现，显示出对干扰物质的优异选择性。对生物样本、药品样本和废水样本进行了实时测试，均获得了满意的回收率。这些发现将有助于开发出一种由Mn₃O₄/MnAl₂O₄组成的传感器，以实现快速响应时间和高灵敏度的异烟肼检测。

引言

结核病（TB）是全球最严重、最致命且最具传染性的疾病之一。异烟肼（INZ）、吡嗪酰胺、利福平、乙胺丁醇盐酸盐和利福平等药物常用于结核病的治疗。其中，异烟肼是最常用的抗结核药物[[1], [2], [3], [4], [5]]。异烟肼在分枝杆菌酶过氧化氢酶的作用下被激活，产生活性氧，这些活性氧与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（氧化态）NAD⁺和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（还原态）NADH⁺结合，从而抑制脂质和核酸的生物合成酶。治疗过程中异烟肼含量的减少可能导致耐药菌的出现或治疗效果不佳[6,7]。相反，过量使用异烟肼可能引起肝脏损伤、周围神经损伤、食欲不振和恶心等不良反应。异烟肼的过度消耗还会通过排泄物污染环境，并可能促进耐药菌的产生，对人类和环境健康构成重大威胁。尽管存在这些缺点，异烟肼在治疗结核病方面的有效性使其成为不可或缺的治疗药物。美国公共卫生服务部门的数据显示，每年约有18,000人接受异烟肼治疗。为防止严重的负面后果，定期监测接受异烟肼治疗的患者至关重要[[8], [9], [10], [11]]。因此，开发一种灵敏度高、成本低廉且可靠的异烟肼检测方法对于医学诊断非常重要。异烟肼在人体内的浓度可以通过多种分析方法进行测定。在本研究中，我们选择了电化学检测方法，因为它具有反应速度快、使用方便、灵敏度高、选择性强和成本效益好等优点。此外，电化学检测的灵敏度和选择性取决于电极制备所用材料的特性；因此，选择合适的电极材料对于制造环境稳定且经济实惠的电化学检测装置至关重要[[12,13],[22],[23],[24],[25],[26],[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21]]。

过渡金属氧化物（TMOs）是一类具有多样电化学性质、结构适应性强且在电池、传感器、水分解和转化过程中有广泛应用价值的化合物[[27,28]]。TMOs因其生态兼容性、经济性和可扩展性而受到重视，这符合对环保高效电化学应用日益增长的需求[[28],[29],[30]]。除了独特的物理化学性质外，过渡金属铝酸盐（TMAs）也是重要的电化学材料。过渡金属与氧化铝反应生成这些材料，它们具有独特的结构、电学和磁学特性，适用于多种应用[[31]]。TMAs能够形成尖晶石结构，其坚固的晶格对结构完整性至关重要[[32]]。钴、镍、铁、锌和锰等过渡金属具有不同的氧化态和电子构型，有利于能量储存、催化和传感等过程中的电子转移[[33],[34],[35],[36],[37],[38],[39]]。铝酸锰因其成本效益高、易获取和环保特性而受到关注。作为复合金属氧化物，MnAl₂O₄结合了锰的氧化还原活性和氧化铝的热稳定性及化学稳定性，使其成为传感器应用的理想候选材料[[40,41]]。此外，其优异的导电性和催化效率显著提升了其在电化学反应中的性能。MnAl₂O₄的制备方法对其性质有很大影响[[35],[42],[43],[44]]。常用的共沉淀和水热反应可以控制颗粒大小、形状和结晶度，这些参数显著影响其电化学性能、循环稳定性和反应速度。

本研究开发了一种基于金属氧化物/金属铝酸盐（Mn₃O₄/MnAl₂O₄）的电催化剂，通过在GCE表面形成均匀分布的纳米颗粒来实现异烟肼的电化学检测。Mn₃O₄/MnAl₂O₄之间的协同作用提高了异烟肼的检测灵敏度和选择性，使得这项研究具有重要意义。

化学物质和表征技术

氯化镁（MgCl₂，≥99%）、氢氧化铝（Al(OH)₃，≥99%）、氢氧化铵（NH₄OH，28–30%）、硝酸铜水合物（Cu(NO₃)₂.xH₂O，≥99.9%）、六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂，98%、氯化汞（HgCl₂，99%）、多巴胺（≥98%）、尿酸（≥99%）、4-硝基苯酚（≥95%）、对乙酰氨基酚（≥99.0%）、钾离子（99.9%）、硝呋妥因（98.0–102.0%）、尼鲁酰胺（Nilandron片剂）、 carbendazim（97%）、硝基苯（≥99.0%）和氢醌（≥99%）。

XRD

通过X射线衍射（XRD）分析了材料的结构和晶体结构。图1(A)显示，MnAl₂O₄的XRD图谱与JCPDS NO: 00–029–0880标准相符，表明其具有立方晶体结构，空间群为Fd-3 m，空间群编号为227，a(?)、b(?)、c(?) = 8.2038，以及（alpha = beta = gamma）= 90°。样品通过基面反射进行鉴定，反射峰位置分别为2θ = 17.98°（111）、30.9°（220）、36.1°。

EIS分析

通过电化学阻抗谱（EIS）可以研究修饰前后GCE的电荷转移动力学和电阻特性。电极的性能取决于材料的电阻，电阻增加会导致电催化活性降低。图4(A)展示了在含有0.1 M KCl电解液的5 mM [Fe(CN)₆]^?3/4溶液中制备的Mn₃O₄/MnAl₂O₄/GCE电极的Nyquist图。

结论

总之，首次成功开发了一种基于Mn₃O₄/MnAl₂O₄修饰电极的异烟肼电化学传感器。合成的Mn₃O₄/MnAl₂O₄通过FESEM、TEM、EDAX、元素映射、XRD、XPS和拉曼光谱进行了分析。结果表明，该传感器具有2.9 nM的检测限，检测范围为0.089 – 566.73 μM，灵敏度为14.7 μA μM^?1 cm^?2，反应速度快，选择性优异。

CRediT作者贡献声明

Nandini Nataraj：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件应用、资源准备、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。 Mahalingam Agalya：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件应用、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。 Tse-Wei Chen：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、项目监督、资源协调、方法论设计、资金支持。