药物污染物奥尼达唑在中孔尖晶石钴铈氧化物和石墨烯纳米片修饰电极上的检测技术，应用于环境水体及鱼类样本的分析

《Microchemical Journal》：Pharmaceutical pollutant ornidazole sensing at mesoporous spinel cobalt cerium oxide and graphene nanoplatelets modified electrode in environmental water and fish samples

本研究通过水热法合成介孔CoCe2O4并负载石墨烯纳米片，制备的复合电极在检测奥氮平（ODZ）时表现出高灵敏度和宽线性范围（125 nM-1.674 mM），检测限为0.0639 μM，限定量0.2128 μM，并成功应用于环境水和药物片剂检测。

　　

Viswa Muthiah | Venkataraman Dharuman

分子电子实验室，生物电子与生物传感器系，阿拉加帕大学科学校区，卡拉伊库迪630003，印度

摘要

环境中水体中药物污染物的浓度超过允许值会引发严重的健康问题，并影响环境健康，因此迫切需要开发出灵敏的监测技术。本研究采用简单的水热法合成了介孔尖晶石钴铈氧化物（CoCe₂O₄），并通过物理吸附将其与石墨烯纳米片结合（CoCe₂O₄/Gr NP）。采用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）、高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和Brunauer-Emmett-Teller（BET）对复合材料进行了表征。研究证实了该材料具有球形和介孔结构。在[Fe(CN)₆]^3?/4-存在下进行的电化学研究表明，CoCe₂O₄/Gr电极的氧化还原电流最大，且过电位（?E_p）最低（77 mV），而Co₃O₄电极的?E_p为180 mV，CoCe₂O₄电极的?E_p为221 mV，Gr NP电极的?E_p为83 mV，这得益于其较大的表面积和导电性。在ODZ存在下，该传感器在最低过电位-0.574 V时显示出最高的还原峰电流（i_pa：-22.95 μA），灵敏度为0.1924 μA μM^-1 cm^-2，检测限（LOD）为0.0639 μM，定量限（LOQ）为0.2128 μM。该传感器在125 nM至1.674 mM的范围内具有线性检测能力，同时具备良好的重现性、可再生性和稳定性。实际应用中，该传感器成功用于检测药片、环境水样（湖泊水、井水和自来水）以及鱼类样本，取得了良好的回收率。

引言

抗生素在人类和动物的细菌感染治疗和预防中起着至关重要的作用[1]。印度是全球抗生素消耗量最大的国家之一，这引发了重大的公共卫生问题。由于污水处理不善、废物直接排放以及制药工业废水的排放，近80%的印度河流面临严重污染[2]、[3]、[4]。人类和工业排放的阿莫西林、环丙沙星、阿奇霉素、磺胺甲噁唑（MTZ）、替硝唑（TNZ）、奥尼达唑（ODZ）和诺氟沙星（NOR）等抗生素促进了耐药性病原体的产生，对中枢神经系统等造成潜在危害[5]。例如，Kalugendo等人使用液相色谱-质谱（LC-MS/MS）技术在纳尔马达河和萨巴尔马蒂河中检测到了阿奇霉素[6]。目前，咪唑类药物如米康唑、克霉唑、埃索美拉唑和甲硝唑因其广泛的治疗用途而被广泛使用[7]、[8]。奥尼达唑（ODZ，1-(3-氯-2-羟基)丙基-2-甲基-5-硝基咪唑，一种硝基咪唑类抗生素）[9]兼具抗菌和抗原生动物活性，被广泛用于治疗细菌感染。该药物还因其较长的半衰期和更强的细胞穿透能力而被用于促进动物和水生生物的生长。常见的副作用包括腹泻、呕吐、恶心和金属味。虽然奥尼达唑引起的肝损伤（OILI）进展为肝衰竭的情况极为罕见[10]、[11]，但近年来相关病例有所增加[10]、[11]。与许多抗生素一样，ODZ也进入了水生生态系统，其在河流中的浓度高达58 ng L^{-1[12]。环境中这种药物的存在及其高频率暴露对人体有害[13]。因此，需要利用分析设备控制水中的ODZ浓度。常用的分析方法包括高效液相色谱（HPLC）[14]、化学发光[15]、分光光度法[9]、毛细管电泳[16]和紫外-可见光分析[17]，但这些方法通常成本较高且技术复杂。相比之下，电化学技术简单、快速、便携、准确，并能直接反映分析物浓度，适用于实时检测。在电化学方法中，传感器的检测效率和灵敏度取决于所选材料及其导电性能。因此，开发了多种导电材料，如金属、金属氧化物、碳及其复合材料，如CoWO₄-CN BN[18]、Co₂GeO₄/GCN[19]、MnMoO₄/GNS[20]、(Co₃O₄/SnO₂)[21]、DUT-67/T-PPY[22]、CuV/GCE[23]、SrWO₄/BN[24]、G-QDs/Si-MIP[15]等。}

具有Co²⁺和Co³⁺氧化态的尖晶石结构钴氧化物（Co₃O₄）因其多种生物传感应用而受到广泛研究[25]、[26]。在储能应用研究中，通过添加Mn、Ni、Cu、Mg和Li等金属调节了其导电性[27]。最近，将Ce、Nd、Sm和Gd等稀土金属掺入钴氧化物中，提高了其氧还原（OER）效率、催化性能和传感能力[28] [29] [30]。特别是CeO₂由于其优异的稳定性、低毒性[31] [32]、带隙（3.19 eV）[33]以及双氧化还原态（Ce³⁺/Ce⁴⁺），在光电子学、燃料电池、气体传感和生物传感等领域备受关注[34]。其良好的生物相容性使得基于葡萄糖氧化酶、胆固醇氧化酶、脂肪酶和甘油脱氢酶的生物传感器得以开发，用于检测葡萄糖、胆固醇、过氧化氢和尿素等物质[35] [36]。值得注意的是，CeO₂与Fe₂O₃[37]、CoCeO₂[38]和MnCeO₂[39]的组合能有效催化4-氯苯甲醛生成4-氯苯腈以及酮类与醇的α-烷基化反应。进一步通过Ce掺杂提高CoFe₂O₄的OER效率[40]。过渡金属和稀土金属的联合掺杂（如Ce掺杂的MnFe₂O₄）可增强亚甲蓝和茜素染料、d-葡萄糖和对乙酰氨基酚的光催化降解[41]。此外，丰富的氧空位[42]和介孔结构有助于分析物分子在表面的吸附[43]，例如(CuCo-CeO₂)[44]、(Vo-CeO₂-NC)[45]、(CoO_x/CeO₂/RGO) CeO₂[46]、Co₃O₄/CeO₂[47]、(Ru/CeO₂)[48]、(Ce@Co-EcoR)[49]、meso-Co₃O₄/10%Mn-CeO₂[50]、(Pr, Gd)-doped CeO₂[51]的研究所示。

在用过渡金属（如Mn、Fe、Ni和Zn）掺杂Co₃O₄时，这些金属阳离子会占据AB₂O₄尖晶石晶格的“A”位点。而镧系金属掺杂则取代了AB₂O₄的“B”位点，从而增加了氧空位、表面积和材料的灵敏度。因此，AB₂O₄尖晶石化合物（如CoCe₂O₄[42]、MnFe_2-xRE_xO₄（RE = La, Ce, Gd, Er）[52]、Mn_0.5Zn_0.5Ce_xFe_2-xO₄[53]、Ln₂MgSe₄（Ln = Er, Pm）[54]、ZnGa₂O₄（RE = Eu³⁺, Tb³⁺）[55]、MgFe₂O₄（La³⁺, Ce³⁺, Sm³⁺, Gd³⁺）[56]、CoCe₂O₄/MoTe₂[57]等被用于等温气体降解、超级电容器、有机污染物氧化、磁性、电学、介电性能、自旋电子学和光电子学、光致发光以及芬顿过程染料降解等多种应用。氧空位、介孔结构和Co²⁺/Co³⁺与Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对的共存特性推动了其在生物传感器领域的应用。为了提高CoCe₂O₄的导电性，将其与石墨烯纳米片（Gr NP）结合，后者具有独特的电学、光学和物理性能，以及高导电性和大表面积。这些特性显著提升了电化学性能，因为与传统的碳材料相比，石墨烯纳米片的电子转移动力学更快[58]。例如，将CeO₂[59]、Co₃O₄-ZrO₂[60]、Ag掺杂的CoFe₂O₄[61]和MgFe₂O₄[62]结合到Gr NP上，可以提高传感器的灵敏度和稳定性。

为了防止健康危害，量化污染物或受污染的药物变得至关重要。报道了多种金属氧化物导电碳复合材料，如介孔碳修饰的MnO₂（抗真菌药物碘氯羟喹）[63]、四方纳米颗粒结构的(DyVO₄/f-CNF)（抗原生动物药物甲硝唑）[64]、Ni棒整合的NiMOF（NiR/Ni-MOF）（加替沙星药物）[65]、g-C3N4修饰的Fe₃O₄纳米球（CN@Fe₃O₄）（2,4,6-三氯苯酚农药）[66]、双金属（Al, Mn）MOFs（硝呋妥因药物）[67]、基于金属（M-Zn, Mn或Ni）的MOFs（甲硝唑药物）[68]、rutile纳米球修饰的(rGO/β-CD)（色素L-酪氨酸）[69]、镁铝层状双氢氧化物（Mg₂O₄（La³⁺, Ce³⁺, Sm³⁺, Gd³⁺）[70]、富含缺陷的(NiS/BN复合材料）（氯丙嗪药物）[71]、(MoO₃/f-MWCNTs)纳米复合材料（吩噻嗪药物）[72]等。尽管这些材料在研究中表现出优势，但仍需进一步改进以提高检测灵敏度。

尽管也有报道指出其他过渡金属尖晶石（如CoCr₂O₄[73]和CoFe₂O₄[74]）修饰的石墨烯在提高H₂O₂和葡萄糖检测灵敏度及氧 evolution反应方面的应用，但目前尚未有关于CoCe₂O₄/Gr NP在各种应用中的开发文献。本研究旨在采用简单的水热法制备介孔CoCe₂O₄尖晶石氧化物，并通过简单的物理混合将其与石墨烯纳米片复合，形成CoCe₂O₄/Gr NP复合材料。采用XRD、Raman、FTIR、XPS、FESEM、HRTEM和BET等技术对复合材料进行了表征。伏安法结果显示，CoCe₂O₄/Gr NP对ODZ的检测灵敏度高于其他改性电极。观察到的灵敏度提升与氧空位、介孔结构以及Gr NP与CoCe₂O₄纳米颗粒之间的协同作用有关，这种协同作用增加了活性表面积和ODZ的吸附效果。改性电极的检测范围为125 nM至1.674 mM，检测限（LOD）为0.0639 μM，定量限（LOQ）为0.2128 μM。实际应用中，CoCe₂O₄/Gr NP被用于环境水、鱼类样本和ODZ药片中的ODZ检测。

化学试剂

六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂.6H₂O、六水合硝酸铈（Ce(NO₃)₃.6H₂O、99.9%）、三水合柠檬酸钠（C₆H₅Na₃O₇.2H₂O、99%）购自Sisco Research Laboratories；石墨烯纳米片（Gr NPs）购自Thermo Fisher Scientific；氢氧化钠（NaOH，98%）购自LOBA chemicals；乙醇（CH₃CH₂OH，99.9%）、二甲基甲酰胺（DMF，C₃H₇NO，98.5%）购自Tokyo Chemical Industry；四水合亚铁氰化钾（K₄[Fe(CN)₆），99.5%等试剂均购自相应供应商。

CoCe₂O₄/gr NP复合材料的物理化学表征

图S1A和B展示了CeO₂和Co₃O₄的XRD分析结果。在2θ值28.32^°、32.90^°、47.29^°、56.26^°、58.83^°、69.27^°、76.42^°、78.99^°处观察到的衍射峰分别对应于(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)、(331)和(420)晶面，证实了其氟石立方结构（JCPDS# 34–0394）。在18.78^°、30.78^°、36.64^°、39.02^°、44.52^°、53.33^°、59.00^°、65.23^°、70.38^°处观察到的峰分别对应于(111)、(220)、