基于β-环糊精离子载体与铜-没食子酸MOF的电位传感平台用于兔眼房水中眼科药物的同时测定

为实现对阿卡他定（ALF）与酮咯酸氨丁三醇（KTC）这两种眼科复方药物的精确、可持续同时分析，本研究开创性地研发了一种双传感器电位检测平台。该平台通过计算机模拟（分子对接）优化筛选出β-环糊精（β-CD）作为高效离子载体，并首次合成了铜-没食子酸金属有机框架（Cu-gallic MOF）作为新型离子-电子转换层。所构建的传感器在1×10?6至1×10?2M范围内展现出优异的线性响应，检测限达6.3×10?7M，成功应用于市售滴眼液及兔眼房水加标样品分析，并通过GAPI和AGREE工具验证了其绿色分析特性，为复杂制剂中API的同步、环保检测提供了新范式。

　　

在眼科临床治疗中，将不同药理机制的药物（例如抗过敏药和抗炎药）复方使用，以达到协同增效的效果，已成为一种常见策略。阿卡他定（Alcaftadine, ALF）是一种H₁、H₂、H₄组胺受体的反向激动剂，用于缓解过敏性结膜炎；而酮咯酸氨丁三醇（Ketorolac Tromethamine, KTC）则是一种非甾体抗炎药，通过抑制环氧合酶来减轻炎症和疼痛。两者复方使用时，可提供抗过敏和抗炎的双重作用。然而，这种“强强联合”却给药物质量控制和分析带来了不小的麻烦。传统的分析方法，如色谱法虽然准确，但往往依赖昂贵的仪器、耗时的分离过程和大量的有机溶剂，与当下倡导的绿色、可持续分析理念背道而驰。光谱法则常因药物间光谱重叠而选择性不足，需要复杂的数学校正。因此，开发一种能够同时、快速、精确且环境友好地测定复方制剂中ALF和KTC含量的新方法，成为了一个亟待解决的分析学挑战。

针对这一挑战，研究人员在《Sensing and Bio-Sensing Research》期刊上发表了一项创新研究，他们构建了一个集计算模拟、先进纳米材料和绿色化学原则于一体的双传感器电位测定平台。这个平台的核心智慧在于“精准识别”和“高效传导”。首先，他们不再采用传统的、费时费力的“试错法”来筛选传感器膜中的关键“锁芯”——离子载体，而是借助计算机进行分子对接模拟，预测不同宿主分子（如α-环糊精、β-环糊精、不同尺寸的杯芳烃）与ALF、KTC这两种“钥匙”（客体分子）的结合能力。模拟结果显示，β-环糊精（β-CD）对两种药物均表现出最强的结合亲和力，因而被选定为最优离子载体。这一步计算引导的筛选，大大减少了实验浪费，体现了“绿色”研究的思路。

有了高效的“锁芯”，还需要一个稳定的“信号放大器”。研究人员创新性地合成了铜-没食子酸金属有机框架（Cu-gallic MOF），并首次将其用作固态接触离子选择性电极（SC-ISE）中的离子-电子转换层。MOF具有高比表面积、可调孔隙和丰富的活性位点，能有效促进电荷在电极界面传输，并抑制有害水层的形成，从而提升传感器的稳定性和响应速度。他们成功制备了两种传感器：一种用于检测带正电的ALF（MOF/β-CD-ALF/GCE），使用四（4-氯苯基）硼酸钾（KTPB）作为阳离子交换剂；另一种用于检测带负电的KTC（MOF/β-CD-KTC/GCE），使用四癸基氯化铵（TDAC）作为阴离子交换剂。两者的敏感膜均以塑化聚氯乙烯（PVC）为基质，并掺入计算筛选出的β-CD离子载体。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，利用分子对接软件（MOE）对候选离子载体与目标药物（ALF和KTC）进行结合能计算与虚拟筛选。其次，通过水溶液络合法实验室合成了Cu-gallic MOF，并利用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）对其形貌、化学结构及结晶性进行了表征。接着，采用滴涂法在玻碳电极（GCE）上依次构建MOF中间层和离子选择性膜，组装成固态接触离子选择性电极。所有电位测量均使用双接界银/氯化银（Ag/AgCl）参比电极在Britton-Robinson缓冲液（pH 6.0）体系中进行。方法学验证严格遵循IUPAC指南，并最终将所构建的传感器成功应用于市售滴眼液（Alcarex KT）及经BRB缓冲液稀释的兔眼房水加标样品（兔眼房水由开罗大学药学院动物房提供）中ALF和KTC含量的直接、同时测定，无需复杂前处理。

3.1. 计算对接分析用于离子载体选择

通过分子对接模拟，系统评估了多种离子载体与ALF和KTC的结合能力。结果显示，β-环糊精对两种药物均显示出最优的结合分数和最低的系统势能，而杯[4]芳烃和杯[6]芳烃则因空腔尺寸限制未能形成稳定复合物。这从理论上证实了β-环糊精是同时选择性识别ALF和KTC的最佳离子载体，为后续实验提供了理性设计依据。相关对接构象如图1所示。

3.2. 铜-没食子酸MOF的制备与表征

采用水相络合法成功合成了Cu-gallic MOF。SEM图像（图2）显示其为由不规则、紧密堆积颗粒组成的粗糙、异质表面形貌，表明形成了稳定的配位框架。FT-IR和XRD分析进一步证实了材料中预期的官能团和晶体结构的存在，验证了合成的成功。

3.3. 固态接触ISM传感器的性能

比较了引入Cu-gallic MOF中间层前后传感器的性能。如图3所示，MOF修饰的传感器（MOF/β-CD-ALF/GCE和MOF/β-CD-KTC/GCE）相比未修饰传感器（β-CD-ALF/GCE和β-CD-KTC/GCE）表现出更稳定、波动更小的电位响应，并具有近能斯特斜率。所有传感器在1×10^?6至1×10^?2M浓度范围内均呈现优异线性，检测限（LOD）均为6.3×10^?7M。MOF的引入主要提升了电位稳定性和响应速度（ALF传感器响应时间从15秒缩短至10秒，KTC传感器从30秒缩短至20秒），而非显著改变线性范围。

3.4. 利用水层测试评估界面稳定性

通过顺序测量目标药物、干扰药物、再返回目标药物的电位变化来评估水层形成。如图4所示，未修饰MOF的传感器在切换溶液时表现出明显的电位漂移，表明界面存在不稳定水层。而MOF修饰的传感器在相同测试中电位非常稳定，证实Cu-gallic MOF层能有效抑制水层形成，大幅提升了传感器的长期稳定性。

3.5. pH对传感器性能的影响

研究了pH在2.5-10.0范围内对传感器响应的影响（图5）。对于ALF传感器，其在pH 5.0-7.0范围内电位稳定，这与ALF的pK_a(7.16) 相符，在此pH区间药物主要以离子化形式存在。对于KTC传感器，在pH 4.0-10.0范围内响应稳定，与其pK_a(3.5) 一致。这为实际样品分析选择了pH 6.0的最佳工作条件。

3.6. 传感器选择性

采用分离溶液法（SSM）评估了传感器对常见无机离子（Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺， Cl^-, SO₄^2-, PO₄^3-, 醋酸盐）及兔眼房水基质的抗干扰能力。如图6和表3所示，传感器对ALF和KTC表现出显著更高的电位响应，选择性系数（log K^pot_A,B）均为负值且较小，表明这些干扰物几乎不产生响应。重要的是，在pH 6.0下，ALF带正电，KTC带负电，由于所使用的离子交换剂（KTPB为阳离子交换剂，TDAC为阴离子交换剂）不同，两种传感器对彼此的目标药物均无交叉响应，实现了真正的“同时、互不干扰”测定。

3.9. 基于传感器的滴眼液中ALF和KTC的测定

将所构建的双传感器系统直接应用于市售Alcarex KT滴眼液的分析。样品经简单稀释后，电位法测得ALF和KTC的含量与标示量高度吻合，回收率分别为100.59%和100.11%，且精密度良好（表4），证明了该方法在药品质量控制中的准确性和实用性。

3.10. 基于传感器的房水中ALF和KTC的测定

为评估在复杂生物基质中的适用性，将方法用于兔眼房水加标样品分析。在1.0×10^?3M和1.0×10^?4M两个加标浓度下，ALF和KTC的回收率在97.85%至99.57%之间（表4），标准偏差较低。这表明即使在含有多种内源性干扰物的生物体液中，该传感器系统仍能实现准确、可靠的测定，展现了其在治疗药物监测或药代动力学研究中的潜在应用价值。

3.11. 所开发传感器的环境评估

使用国际通用的绿色分析化学评估工具——分析绿色度（AGREE）和绿色分析程序指数（GAPI），对本研究方法与已报道的色谱法、光谱法进行了系统对比（表5）。结果显示，本研究所开发的电位传感平台获得了最高的AGREE得分（0.83），GAPI图示中也显示出最多的绿色区块。这表明该方法在减少有害试剂使用、降低能耗、简化样品前处理和提高操作安全性等方面具有显著优势，符合可持续发展的理念。

本研究成功开发并验证了一种新型、稳健的双传感器电位测定平台，用于眼科复方药物阿卡他定和酮咯酸氨丁三醇的同时、高选择性分析。该研究的核心结论与重要意义体现在以下几个方面：首先，它建立了一种理性设计传感器的新范式。通过计算分子对接替代传统的经验性筛选，成功预测并选择了β-环糊精作为对两种化学结构不同的药物均具有高亲和力的通用离子载体，这显著提高了研发效率，减少了资源消耗，是绿色化学原则在分析传感器设计中的成功实践。其次，该研究实现了材料学的创新应用。首次将铜-没食子酸金属有机框架（Cu-gallic MOF）作为固态接触层引入电位传感器，其多孔结构和氧化还原活性有效增强了离子-电子转导效率，抑制了界面水层形成，从而大幅提升了传感器的响应速度、电位稳定性和使用寿命。这为开发下一代高性能、耐用的电化学传感器提供了新材料思路。再者，所构建的分析方法性能卓越。双传感器系统在宽浓度范围（1×10^?6至 1×10^?2M）内呈现近能斯特响应，检测限低，并且凭借两种药物在工作pH下的相反电荷特性及相应的离子交换剂，实现了对市售滴眼液和复杂生物基质（兔眼房水）中ALF和KTC的精确、同时、互不干扰的直接测定，无需复杂的分离或衍生步骤。最后，该研究凸显了强大的可持续性优势。通过全面的环境评估（AGREE, GAPI），证明该方法在分析全过程的环境友好性上优于已报道的色谱和光谱方法，为药物质量控制领域提供了一种兼具高分析性能与绿色属性的解决方案。综上所述，这项由Ola G. Hussein, Mamdouh R. Rezk, Amr M. Mahmoud和Mina Wadie完成的工作，通过巧妙融合计算化学、纳米材料科学与电分析技术，不仅解决了一个具体的药物同时分析难题，更展示了一种融合理性设计、材料创新与绿色理念的先进分析平台开发策略，对分析化学、药物分析和传感器技术领域均具有重要的参考价值。