用于阿司匹林超灵敏检测的协同CuMoP纳米复合材料修饰碳电极

《ChemElectroChem》：Synergistic CuMoP Nanocomposite-Modified Carbon Electrode for Ultrasensitive Detection of Aspirin

　　

研究人员开发了一种铜-钼-磷酸盐（CuMoP）修饰的丝网印刷碳电极（SPCE），通过一步恒电位共沉积法制备（记为mSPCE），用于乙酰水杨酸（ASA，即阿司匹林）的电化学检测。显微和光谱分析证实，该电极表面形成了均匀的颗粒状CuMoP薄膜，其中含有混合价态的Cu+/Cu2+和Mo6+中心，并与磷酸根基团配位，从而增强了电子-质子耦合效应。该传感器在pH 3.0条件下于0.866 V处表现出明确的不可逆氧化峰，对ASA表现出高灵敏度检测，并遵循扩散控制的双电子机制。差分脉冲伏安法（DPV）显示在2.0–92.6 μM范围内具有优异的线性响应（I = 0.036 + 0.012 C，R2= 0.9979），检测限（LOD）为1.5 μM，定量限（LOQ）为5.0 μM。mSPCE具有高稳定性（RSD = 2.6%）、重现性（RSD = 5.4%），并且对药物片剂的分析回收率在91.21%–103.52%之间。该传感器在面对100倍浓度的干扰物质时仍表现出卓越的选择性，这凸显了协同的Cu–Mo–P氧化还原网络作为一种高效、低成本且便携的平台，可用于真实样品中ASA的灵敏测定。

研究背景：

阿司匹林（乙酰水杨酸，ASA）是全球使用最广泛的治疗药物之一，因其镇痛、解热和抗血小板作用而被广泛用于临床。持续监测药物制剂和生物流体中的ASA水平对于确保药效、质量控制及患者安全至关重要。ASA摄入过量或降解可能导致胃肠道出血和肾毒性，而剂量不足则会降低治疗效果。传统的分析技术如高效液相色谱法（HPLC）、紫外-可见分光光度法和毛细管电泳虽能提供可靠的定量结果，但存在成本高、耗时长且需专业人员操作等局限性。相比之下，电化学传感以其简便、快速、成本低且灵敏度高等优势，成为实时药物和临床应用的理想替代方案。丝网印刷碳电极（SPCE）因成本低、重现性好且兼容微型设备而成为电化学分析的通用平台，但裸SPCE对ASA等弱电活性化合物的电子转移动力学迟缓且灵敏度较差。为克服这些缺陷，使用纳米结构材料修饰SPCE表面已成为广泛采用的策略。近年来，过渡金属氧化物和磷酸盐因其可调电子结构、化学稳定性和强氧化还原活性而成为引人注目的电极修饰剂，其中铜和钼因其互补的物理化学性质备受关注。将磷酸盐引入过渡金属复合材料可进一步增强其电化学性能，磷酸根离子（PO₄^3?）可作为结构稳定剂和质子导体，促进质子耦合电子转移。基于此，研究人员开展了利用CuMoP三元体系修饰SPCE用于ASA电化学检测的研究，该工作发表在《ChemElectroChem》。

主要关键技术方法：

研究人员通过一步恒电位共沉积法，在SPCE表面电沉积CuMoP纳米复合材料以制备修饰电极（mSPCE）；使用场-emission扫描电子显微镜（FESEM）、能量色散X射线光谱仪（EDS）、原子力显微镜（AFM）和X射线光电子能谱（XPS）对电极的理化性质进行表征；采用循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）在CHI660E电化学工作站上评估传感器的电化学行为和分析性能；使用市售阿司匹林肠溶片（100 mg/片，购自中国武汉特因莱生物技术开发有限公司）制备真实样本溶液，并在优化条件下进行DPV测定、标准加入法回收实验、稳定性与重现性测试以及抗干扰能力评估。

研究结果：

3.1 mSPCE的理化性质

研究人员通过FESEM观察发现，裸SPCE表面相对光滑，活化后的aSPCE引入了微粗糙度和暴露的石墨边缘，而CuMoP沉积将表面转变为颗粒状，形成明确的簇和颗粒间空隙，增加了表面积。EDS确认了Cu、Mo和P的存在（重量百分比分别为77.6%、22.1%和0.4%），这些元素在裸电极和活化电极中未观察到，元素映射显示Cu和Mo在碳背景上共定位，而磷分布更分散。AFM显示表面具有显著的纳米级粗糙度，平均粗糙度（R_a）为372.7 nm，根均方粗糙度（R_q）为455.5 nm，峰谷高度（R_z）达2.19 μm，证实了高度纹理化的CuMoP薄膜的形成。XPS调查谱图在942 eV（Cu 2p）、289 eV（C 1s）、236 eV（Mo 3d）和129 eV（P 2p）处显示 distinct 峰，确认了各元素的存在。C 1s谱图分峰显示C=O、C-O和C-C键，表明碳组分部分氧化，有助于金属氧化物的锚定和电极表面亲水性增强。Cu 2p谱图显示Cu²⁺和Cu⁺氧化态共存，Mo 3d谱图确认钼为Mo⁶⁺态，P 2p谱图特征峰对应磷酸根（PO₄^3?）基团。这些结果表明SPCE表面成功形成了由混合价态氧化物-磷酸盐网络组成的CuMoP纳米复合材料，Cu⁺/Cu²⁺和Mo⁶⁺中心共存以及磷酸盐框架共同建立了高效的氧化还原活性平台，促进了快速的电子-质子耦合。

3.2 ASA在mSPCE上的电化学特性

研究人员使用CV在含有0.1 mM ASA的0.1 M PBS（pH 3.0）中研究了ASA在bSPCE、aSPCE和mSPCE上的电化学行为，观察到单一的不可逆氧化峰。mSPCE的阳极峰电流（4.30 μA）较bSPCE（2.07 μA）和aSPCE（2.57 μA）显著增强，峰值电位略有阳极位移，表明Cu和Mo中心的协同电催化活性促进了更快的电荷转移动力学和ASA分子吸附。峰值电流与扫描速率平方根（ν^1/2）呈线性关系，表明ASA的氧化主要是扩散控制过程。随着扫描速率增加，阳极峰电位轻微正向移动，阳极峰电流稳定增加，log I 与 log ν 的斜率约为0.51，证实了混合扩散-吸附过程。通过计算确定电子转移数为 n ≈ 2，对应于ASA通过质子耦合电子转移转化为水杨酸和乙酸。研究人员进一步考察了pH影响（pH 3.0–9.0），发现在pH 3.0时氧化峰明确且电流最大（0.866 V，-2.565 μA），电位随pH升高而负移，pH > 8时峰消失；E与pH的线性关系斜率为33 mV pH^?1，接近质子和电子转移比为1:2的理论值（29.5 mV），确认ASA氧化涉及一个质子和两个电子的耦合转移。研究人员提出，在酸性条件下ASA主要以未解离分子形式存在，通过氢键和π–π相互作用吸附在质子化CuMoP表面；氧化过程首先通过单电子转移形成不稳定自由基中间体，再经进一步氧化生成水杨酸和乙酸，总反应为双电子三质子氧化过程；Cu²⁺/Cu⁺氧化还原对加速电荷转移，Mo-O和表面磷酸基团促进质子耦合并稳定反应中间体。

1. 4.
   分析性能
   4.1 ASA的电化学定向检测
   研究人员采用DPV在0.1 M PBS（pH 3.0）中评估mSPCE对ASA的电催化性能。氧化电流随ASA浓度增加而增加，峰值电位几乎恒定，表明是扩散控制氧化过程且无显著表面污染或产物吸附。在2.0–92.6 μM范围内，氧化峰值电流（I, μA）与ASA浓度（C, μM）呈线性关系：I = 0.036 + 0.012 C，相关系数R²= 0.9979。LOD（3σ/斜率）为1.5 μM，LOQ（10σ/斜率）为5.0 μM。与已报道的ASA传感器相比，该CuMoP/SPCE具有一步制备简单、经济的一次性平台以及稳定的混合价态Cu–Mo–P氧化还原网络等优势，可实现真实样品中可靠且重现性好的检测。

4.2 真实样品分析

研究人员采用标准加入法，在0.1 M PBS（pH 7.0）中定量制药片剂中的ASA。已知浓度ASA样品溶液（9.23 μM）依次加标标准ASA，DPV记录阳极峰值电流。电流响应与添加ASA浓度呈良好线性关系：I = 0.12 + 0.013 C，R²= 0.9953。根据校准线截距与斜率之比，准确计算出样品中ASA浓度为9.23 μM，与预期值一致，表明该传感器在复杂基质中具有可靠定量性能，适用于常规电化学监测。

4.3 稳定性与重现性

研究人员通过连续七次测量同一电极（45.8 μM ASA，pH 7.0）评估稳定性，峰值电流在0.58至0.62 μA之间，RSD为2.6%；使用七个独立制备的mSPCE（相同条件）评估重现性，电流值在0.56至0.66 μA之间，RSD为5.4%。低RSD值和稳定电流响应表明该传感器具有优异的操作稳定性和制备可靠性，适合常规分析应用。

4.4 ASA回收率

研究人员通过标准加入法进行回收实验以验证准确性和适用性。在预分析的阿司匹林片剂溶液（含9.23 μM ASA）中加标已知浓度ASA标准品（3.89、11.86和19.61 μM），在优化条件下用DPV定量。回收率为91.21%至103.52%，相应RSD分别为5.51%、2.18%和1.61%。近定量回收和低RSD表明该传感器在复杂片剂基质中检测ASA具有出色的分析精度和准确性，电极表面受辅料干扰可忽略且具有稳定的电催化行为。

4.5 干扰研究

研究人员在存在各种潜在干扰物质（常见于药物制剂或生物流体）下检查mSPCE对ASA的选择性。在0.1 M PBS（pH 7.0）中含45.8 μM ASA，加入高浓度共存无机离子（CO₃^2?、SO₄^2?、PO₄^3?、Ca²⁺、Na⁺、K⁺）和中性生物分子（葡萄糖、蔗糖、乳糖、半乳糖、尿素、维生素C），其浓度分别为ASA的50–100倍，观察到的信号偏差均低于5%，无显著干扰。高选择性归因于Cu–Mo–P复合材料的协同特性：磷酸盐组分提供负电荷表面排斥阴离子干扰物，Cu²⁺/Mo⁶⁺氧化还原中心促进与ASA分子的快速、特异性电子转移，且均匀的CuMoP沉积形态最小化了非特异性吸附和电荷屏蔽效应。

讨论与结论总结：

研究人员在结论中指出，本研究成功通过简便的一步电化学过程制备了CuMoP修饰的SPCE，获得了多孔、稳定且 redox 活性的表面，非常适用于阿司匹林传感。Cu²⁺/Cu⁺和Mo⁶⁺中心在磷酸盐框架内的协同耦合使得快速的质子辅助电子转移成为可能，显著增强了电催化活性。优化后的mSPCE实现了宽线性范围（2.0–92.6 μM）、高相关性（R²= 0.9979）和1.5 μM的检测限，这与若干已报道的传感器相当，同时在制备简便性、稳定性和真实样品适用性方面具有优势。其优异的重复性（RSD ≤ 5.4%）、七次循环的稳定性以及近定量回收率（91–104%）验证了其分析稳健性。常见离子和生物分子的最小干扰进一步证实了其选择性。综上所述，这些属性使CuMoP-mSPCE成为一种有前景的、一次性的且可扩展的电化学平台，可用于制药制剂中乙酰水杨酸的精确定量，并潜在地用于生物诊断。