《Inorganic Chemistry Communications》：Flexible and bendable zirconium metal organic framework-graphene film based electrochemical sensing platform for naproxen detection in human urine
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本研究开发了一种基于Zr-MOF与石墨烯的柔性自支撑电化学传感器，用于高效检测Naproxen。该传感器具有宽线性范围（0.05-350 μM）、超低检测限（3.81 nM）和高灵敏度（21.76 μA·cm?2·μM?1），在复杂环境中表现出优异的选择性和稳定性，并成功应用于真实样本检测。
Baban Dey|Akbar Niaz|Hayat Khan|S.K. Safdar Hossain|Duck-Joo Yang|Arup Choudhury
印度兰契比拉理工学院化学工程系，邮编835215
摘要
非甾体抗炎药（NSAID）萘普生被广泛用于缓解疼痛、退烧和抗炎。检测萘普生的存在对于识别其在药物废物和人体排泄物中的存在至关重要。在这项研究中，我们报道了一种可弯曲、自支撑的电化学传感器的制备方法，该传感器采用基于锆的金属有机框架（Zr-MOF）集成在石墨烯薄膜（Zr-MOF@GR）上，用于灵敏且选择性地检测萘普生（NP）。这种混合电极结合了Zr-MOF的高表面积和多孔性与石墨烯的优异导电性，实现了高效的电子转移和增强的电催化活性。在优化条件下，所制备的传感器显示出0.05至350 μM的宽线性检测范围、3.81 nM的低检测限以及21.76 μA μM?1 cm?2的高灵敏度。该传感器在常见生物干扰物存在下表现出优异的选择性，具有可靠的可重复性（RSD < 3%），并且长期稳定性超过30天。此外，这种柔性电极在机械变形下仍能保持其电化学性能，突显了其在可穿戴传感应用中的潜力。通过分析实际样品（包括池塘水和人尿液）中的萘普生，验证了该传感器的实际适用性，显示出较高的回收率。
引言
萘普生（NP），也称为2-(6-甲氧基萘-2-基)丙酸，是一种常用的非甾体抗炎药，可缓解疼痛、降低体温、减轻僵硬并缓解炎症。萘普生是一类抑制前列腺素内过氧化物合成酶（即环氧化酶-1（COX-1）和环氧化酶-2（COX-2）的药物，这些酶是导致炎症和疼痛的原因[1][2][3]。因此，萘普生通常用于治疗轻度至中度疼痛，以及类风湿性关节炎、风湿性疾病、骨关节炎、痛风、偏头痛和非风湿性炎症[4]。萘普生过量使用会引发许多严重的副作用，包括癫痫发作、胃痛、溃疡、肾功能障碍和代谢性酸中毒。在接触过废水处理后的鱼类血浆和胆汁中检测到了高浓度的萘普生[5]。因此，开发一种易于使用、灵敏的萘普生检测方法对于生物（尿液）和药物样品的毒理学和药代动力学研究非常有益[6][7]。由于萘普生大量排泄并经常释放到家庭废水中，它已被确认为一种新兴的环境污染物[8]。
迄今为止，已经有多种分析技术用于评估药物，如紫外分光光度法[9][10]、化学发光[11]、高效液相色谱法（HPLC）[12][13]、光谱荧光法[14]、毛细管电泳[15]、液相色谱-质谱法[16]以及电化学技术[17][18]。上述大多数技术由于响应时间较长、仪器复杂、需要有害有机溶剂以及对更高准确性和可行性的要求而需要较长的处理时间。近年来，电分析或电化学检测方法因其快速、廉价、高灵敏度、选择性、可微型化以及不同分析物材料的简单处理而变得越来越受欢迎[18][19][20][21]。例如，Jahani等人开发了一种电化学传感器，通过用溶胶热法合成的FeNi?/CuS/BiOCl纳米复合材料修饰碳 paste电极来分析萘普生[21]。Sarhangzadeh等人使用多壁碳纳米管和石墨烯的组合检测萘普生，表现出优异的电化学识别性能[22]。此外，为了有效检测萘普生，必须合成适当的电催化剂。近年来，得益于纳米技术的发展，已经开发出了灵敏且选择性的（生物）传感器。以前曾使用过多种纳米材料进行萘普生检测，如金属和金属氧化物纳米颗粒、碳纳米结构等[18][23][24][25]。与其他碳材料相比，石墨烯/石墨具有六角形排列的sp2杂化碳原子，具有出色的热导率和电导率、优异的化学和机械强度、大量的离域π电子以及较大的表面积[25]。简而言之，MOF与石墨烯之间的强界面结合是由于静电相互作用、配位键合和π-π相互作用共同作用的结果。此外，MOF的有机连接剂与sp2杂化碳网络之间的范德华力和π-π堆叠进一步增强了结构粘附性。
在现代，金属有机框架（MOFs）在电化学检测领域越来越普遍。这些结构由各种金属离子或簇（如二价、三价、四价）与具有不同官能团的有机连接剂之间的配位键形成。由于具有较大的表面积和高孔隙率，MOFs增强了吸附、预浓缩和转移分析物的能力，从而提高了检测器的灵敏度和信号响应[26]。此外，MOF的可调化学功能使其成为开发先进电化学传感器的理想候选材料[27]。原始MOFs的唯一缺点是它们导电性较差，在各种环境条件下机械稳定性不足，这限制了其作为电化学传感器的应用。目前的研究正在探索基于MOF/碳的纳米复合材料，以提高传感器材料的性能并克服这些限制。还有一些关于不同类型电极用于萘普生检测的研究，如丝网印刷电极[28]、碳 paste电极[14]、玻璃碳电极[29]、掺硼金刚石电极[30]等。最近还有一些关于基于MOF的比色和发光
双模式传感器用于人体血清中不同生物标志物的灵敏检测[31][32][33]。基于这项工作，研究表明基于MOF的发光传感器成为检测体液中生物标志物的可靠方法，可以应用于多种场景。这种方法通过消除额外的电极制备步骤（如化学固定或使用PVDF和Nafion等粘合剂）简化了传感过程，显著减少了准备时间和相关成本。这种自支撑电极由连续的导电碳基材料网络组成，有利于高效的电子转移并提高电化学性能。这种配置提供了较大的表面积，增加了活性位点的可用性，降低了检测限，并促进了分析物向电极表面的快速扩散。在本研究中，直接使用了嵌入了基于锆的金属有机框架（MOF）的自支撑石墨烯薄膜作为萘普生检测的工作电极。据我们所知，这是首次报道使用这种经济高效、无粘合剂的锆MOF-石墨烯复合薄膜进行池塘水和自来水中的萘普生电化学检测的方法。据我们所知，这是首次报道使用环保、减少废物的自支撑单金属MOF-锚定石墨烯薄膜用于萘普生检测。
本研究介绍了一种使用可弯曲的MOF修饰石墨烯薄膜制备电化学传感平台的简单可行方法。作为一种高效且灵敏的工具，Zr-MOF@graphene锚定的柔性电极被用于在水体中检测萘普生，实验条件为优化的中性磷酸盐缓冲溶液。由于Zr-MOF和导电石墨烯表面存在的不同类型官能团之间的相互作用，可以实现协同效应。萘普生的检测效果得益于特定的结合亲和力，包括氢键、静电相互作用和石墨烯与Zr-MOF之间的堆叠相互作用。我们使用了多种物理化学和电化学技术来确认复合材料的形成并理解萘普生检测的反应机制。Zr-MOF@graphene电极表现出低电阻和优异的电催化活性以及高灵敏度。该传感器还显示出显著的回收率，表明其可用于检测各种环境水体和真实生物样品中的萘普生。
试剂
萘普生的分析标准品（99% w/w）从Sigma-Aldrich（印度）购买，按收到时状态使用。石墨粉、四氯化锆、吡唑-3,5-二羧酸一水合物（PDA）、氯化钾、氰化铁钾、六氰合铁酸钾、二甲基亚砜（DMF）、葡萄糖（Glu）、蔗糖（Suc）、对乙酰氨基酚（AM）、尼美舒利（NS）和氯霉素（CP）也从Sigma Aldrich（印度）购买。盐酸、醋酸、氨溶液和NaOH从其他来源获得。
合成的MOF锚定电极的一般描述
图1a显示了FTIR光谱，用于研究Zr-MOF与碳材料（石墨烯）之间的相互作用，并验证官能团的存在。
石墨烯薄膜在1626和990 cm?1处有两个明显的峰，分别对应于石墨sp2骨架的C=C伸缩振动和C-H面外弯曲振动。N-H的对称伸缩振动在3385 cm?1处观察到。吸收峰出现在1725 cm?1，是由于羰基的典型伸缩振动。
结论
成功制备了一种基于锆金属有机框架（Zr-MOF@GR）的新型柔性自支撑电化学传感平台，用于灵敏检测萘普生。与石墨烯结合后，Zr-MOF提供了高导电性、多孔性和稳定的电极表面，增强了电子转移和电催化作用。所开发的传感器显示出0.05–350 μM的宽线性检测范围、3.81 nM的低检测限。
CRediT作者贡献声明
Baban Dey：撰写 – 原始草稿、方法学、研究、数据分析。Akbar Niaz：验证、软件、方法学、研究、概念化。Hayat Khan：可视化、软件、方法学、研究、数据分析。S.K. Safdar Hossain：撰写 – 审稿与编辑、软件、资源获取、资金筹集、数据分析。Duck-Joo Yang：可视化、验证、软件、方法学、数据管理、概念化。Arup Choudhury：撰写 – 审稿
符合伦理标准
不适用。
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
本研究工作得到了沙特阿拉伯国王费萨尔大学研究生教育和科学研究办公室（授权号：KFU250415）的支持。
Baban Dey目前担任比拉理工学院Mesra分校化学工程系的Chanakya博士后研究员。他于2014年在Vidyasagar大学化学系获得学士学位，2016年获得硕士学位，2023年在比拉理工学院Mesra分校完成博士学位。他在接下来的两年里分别担任研究助理（2024年）和Chanakya博士后研究员（2025年）。他已经发表了多篇学术论文。
