《Inorganic Chemistry Communications》：Sensitive simultaneous electrochemical detection of theophylline and cytosine in food and pharmaceutical samples using graphene@CuS/ZrO ternary nanocomposite-coated GCE
编辑推荐：
石墨烯负载硫化铜/氧化锆纳米复合材料修饰电极用于同时检测茶碱和胞嘧啶，通过CV、SWV等电化学方法验证其高灵敏度和选择性，检测限分别为0.045和0.028 μM，成功应用于药和生物样本分析。
阿鲁穆加姆·普贡（Arumugam Poongan）、保杜赖·瓦苏马蒂（Pauldurai Vasumathi）、徐土芝（Tuzhi Xu）、穆努萨米·凯萨瓦（Munusamy Kesava）、扎尔塔莎·汗（Zartasha Khan）、穆鲁甘·安巴拉苏（Murugan Anbarasu）、姜兴茂（Xingmao Jiang）、王翔（Xiang Wang）
武汉工业大学化学工程与药学院，中国湖北省武汉市430205
摘要
本文开发了一种高灵敏度的电化学传感器，该传感器采用石墨烯支持的硫化铜/氧化锆纳米复合材料（Graphene@CuS/ZrO）修饰的玻璃碳电极（GCE），用于同时和单独检测茶碱（TPN）和胞嘧啶（CTN）。这种纳米复合材料通过简单的搅拌和超声处理在室温下合成，其中石墨烯提供了优异的导电性，而CuS/ZrO纳米颗粒提供了丰富的电催化位点。利用循环伏安法（CV）、方波伏安法（SWV）、差分脉冲伏安法（DPV）、计时电流法（chronoamperometry）和电流法（amperometry）对TPN和CTN的电化学响应进行了全面研究。Graphene@CuS/ZrO对这两种分析物都表现出显著的电催化活性，其氧化峰清晰可见，可实现无相互干扰的同时检测。在优化条件下，该传感器对TPN的检测线性范围为0.5至570 μM，对CTN的检测线性范围为0.3至610 μM，相应的检测限分别为0.045 μM和0.028 μM。所制备的电极在存在常见干扰物质的情况下仍具有良好的重复性、稳定性、灵敏度和选择性。此外，该生物传感器成功应用于药物制剂和生物样品中TPN和CTN的检测，展示了其在实际电分析中的应用潜力。
引言
茶碱是一种广泛使用的支气管扩张剂，属于甲基黄嘌呤家族，该家族还包括咖啡和可可中天然存在的化合物，如咖啡因和可可碱。它常用于缓解哮喘或慢性阻塞性肺病（COPD）患者的气道痉挛，同时也用于新生儿医学中管理早产儿的呼吸暂停[1]、[2]。然而，由于其治疗范围较窄（10–20 μg·mL?1），血浆浓度的微小变化可能导致严重的副作用，如心律不齐、恶心或抽搐[3]。因此，在药物制剂和生物样品中准确快速地检测TPN至关重要。尽管传统的分析技术（如毛细管电泳[4]、分光光度法[5]和高性能液相色谱法[6]）具有高精度，但它们通常需要昂贵的仪器、较长的分析时间和繁琐的样品制备过程。胞嘧啶（化学名称为4-氨基嘧啶-2(1H)-酮）是DNA和RNA结构中必不可少的嘧啶核碱基之一。胞嘧啶与糖分子结合形成核苷酸胞苷。脱氧核糖核酸（DNA）是一种基本的生物大分子，负责存储和传递遗传信息并调节蛋白质合成[7]。胞嘧啶还参与酶促氧化过程，并有助于细胞能量转移[8]。DNA序列中的胞嘧啶突变常与结构不稳定相关，并与多种疾病相关，包括HIV感染和癫痫[9]、[10]。已经开发了多种分析方法来检测TPN和CTN，包括气相色谱[11]、流动注射化学发光[12]和电化学传感技术[13]、[14]、[15]、[16]。其中，电化学技术因其高灵敏度、选择性、低成本、快速响应和易于微型化而特别具有吸引力。由于TPN和CTN均表现出电活性，电分析方法为它们的检测和定量提供了可靠有效的策略[16]。
基于碳的纳米材料由于其高电子迁移率、大的表面积以及优异的热导率和电导率，在电子和光电子应用中显示出巨大潜力[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。碳纳米管、富勒烯和石墨烯等材料在生物传感器开发中得到广泛应用，其中石墨烯是最引人注目的材料之一[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。石墨烯是一种由sp2杂化碳原子组成的二维单层结构，呈六角晶格排列，被认为是已知最轻最强的材料之一[28]。其出色的电化学性质使其在生物传感器应用中备受关注。将石墨烯整合到传感器平台中可以增加有效表面积，从而固定更多的抗体、酶、探针DNA或细胞，从而增强电化学响应[29]。此外，基于石墨烯的复合材料被广泛用作电极修饰剂，以提高生物传感器的效率和电化学性能[30]。硫化铜（CuS）是一种重要的金属硫属化合物，具有独特的电学和催化性能。它在约1.6 K时可以转变为超导状态[31]。与块状材料相比，CuS纳米棒具有更好的化学、物理、结构和表面性能。作为一种p型半导体，CuS的带隙约为1.21 eV，已应用于光催化、太阳能转换、生物传感器、光电子学和锂离子电池等领域。其类金属的导电性使其在电化学传感器应用中特别具有吸引力。CuS修饰的玻璃碳电极（GCE）已成功用于葡萄糖、氢醌和过氧化氢的电催化氧化[32]、[33]、[34]。氧化锆（ZrO）具有出色的物理和化学性质，非常适合生物传感应用。ZrO存在单斜晶系、四方晶系和立方晶系，后两种晶系通常通过掺杂金属氧化物或硫属化合物来稳定[35]。它在化学上稳定，耐腐蚀性强，在恶劣条件下仍能保持结构完整性。虽然通常不活泼，但在高温下ZrO可以与强酸或强碱反应，但在水和许多有机溶剂中仍保持稳定。适当掺杂后，ZrO表现出高离子导电性，使其在电化学生物传感器和燃料电池技术中具有价值[36]、[37]、[38]。ZrO纳米颗粒具有优异的耐腐蚀性、热稳定性和生物相容性，以及高的等电点，使其成为电化学生物传感器开发的理想候选材料[39]、[40]、[41]。
此前，石墨烯和CuS已与各种金属氧化物（如Fe?O?和ZnO）结合，用于制备用于光催化[42]、染料降解[43]和超级电容器[44]等的三元复合材料。然而，据我们所知，尚未有研究报道将石墨烯、CuS和氧化锆（ZrO）结合制备用于电化学传感的三元复合材料（Graphene@CuS/ZrO）。虽然有一些改进电极的研究用于增强TPN的电化学检测，例如Nia等人报道了使用MnO?纳米结构修饰电极同时测定可可碱、咖啡因和TPN[45]，Di Matteo等人开发了一种基于碳点的传感平台，用于同时检测TPN和咖啡因，并提高了选择性和灵敏度[46]。然而，大多数研究仅关注TPN或其结构类似物，对与其他生物相关化合物的同时检测关注较少。同样，也有报道使用各种修饰电极（包括金、碳纳米材料和金属氧化物复合材料）进行CTN的电化学检测[47]、[48]、[49]、[50]、[51]。然而，由于电化学行为的差异和峰重叠的可能性，TPN和CTN的同时电化学检测尚未实现。开发一个能够同时检测这两种分析物的灵敏且选择性的平台将为生物化学和药理学研究提供有价值的分析工具。
在这项工作中，我们报道了一种Graphene@CuS/ZrO纳米复合材料修饰的GCE的制备方法，用于TPN和CTN的同时和单独电化学检测。这种混合材料结合了石墨烯的高导电性和大表面积、CuS的电催化活性以及ZrO纳米颗粒的结构稳定性，促进了协同电子转移。通过循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）、方波伏安法（SWV）、电流法（amperometry）和计时电流法（chronoamperometry）系统评估了修饰电极的电化学性能。在优化条件下，该传感器显示出清晰的氧化峰，TPN的检测线性范围为0.5–570 μM，CTN的检测线性范围为0.3–610 μM，相应的检测限分别为0.045 μM和0.028 μM。所开发的平台在药物和生物样品分析中也表现出良好的稳定性、重复性和选择性，展示了其在实际电分析中的应用潜力。
材料
所有化学品均为分析级，按原样使用，无需进一步纯化。铜金属粉末（>99.7%）、醋酸铜（>98%）、硫代硫酸钠（>98%）、氯化锆（>98%）、茶碱（>99%）和胞嘧啶（>98%）购自Sigma Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。无水磷酸一钠（>98%）、无水磷酸二钠、氨水溶液（>98%）、氯仿（>98%）、乙醇（>99.9%）、铁氰化钾（>98%）和亚铁氰化钾
石墨烯纳米片的制备
在严格监控下，我们使用了5克高纯度金属铜粉末和25毫升CHCl?。将混合物精确加热至180°C并在100毫升特氟龙内衬的不锈钢高压釜中保持12小时。反应结束后，让高压釜冷却至室温。收集原始液体进行进一步处理，并仔细过滤反应产物。
表征
通过X射线衍射（XRD；Rigaku-D/max-2500，Cu-Kα辐射，扫描速率：10° min?1）研究了合成得到的石墨烯纳米片、CuS和ZrO纳米颗粒以及Graphene@CuS/ZrO纳米复合材料的晶体结构和结晶度。使用扫描电子显微镜（SEM；Gemini SEM 500，加速电压=5.0 kV）和扫描原子发射衍射（SAED/透射电子显微镜；FEI Talos F200x）研究了其形貌和元素组成
XRD分析
通过XRD分析确定了合成的石墨烯的晶体结构和均匀性。图1a显示石墨烯在XRD光谱中通常呈现一个宽峰和另一个高强度峰，衍射峰的2θ值分别为26.48 (002)和31.30 (111) [55]。图1b显示XRD峰中有四个高强度峰和三个低强度峰，它们的2θ值和晶面分别为27.65 (100)、29.37 (101)、31.80 (102)、32.76 (103)、47.75 (107)
结论
本文开发了一种基于Graphene@CuS/ZrO修饰的GCE的电化学生物传感平台，用于检测TPN和CTN。Graphene@CuS/ZrO/GCE表现出强烈的电催化活性，这一点通过EIS、CV、DPV、SWV、电流法和计时电流法分析得到了证实。使用该传感器，TPN和CTN的检测限分别为0.045 μM和0.028 μM，检测线性范围分别为0.5–570 μM和0.3–610 μM，性能优于
CRediT作者贡献声明
阿鲁穆加姆·普贡（Arumugam Poongan）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、方法学、研究、数据分析、概念化。保杜赖·瓦苏马蒂（Pauldurai Vasumathi）：方法学。徐土芝（Tuzhi Xu）：方法学。穆努萨米·凯萨瓦（Munusamy Kesava）：方法学。扎尔塔莎·汗（Zartasha Khan）：方法学。穆鲁甘·安巴拉苏（Murugan Anbarasu）：方法学。姜兴茂（Xingmao Jiang）：监督、项目管理、资金获取。王翔（Xiang Wang）：方法学。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了湖北省自然科学基金（2024AFB267）和材料导向化学工程国家重点实验室（SKL MCE-23B15）的支持。
阿鲁穆加姆·普贡博士是中国武汉工业大学化学工程与药学院的博士后研究员。他于2022年在印度泰米尔纳德邦的马德拉斯大学获得物理化学博士学位。完成博士学业后，他于2022年加入印度帕查亚帕学院（Pachaiyappa's College）的化学系，担任助理教授。他目前的研究兴趣集中在
