基于DropSens丝网印刷碳电极(SPCE)结合方波伏安法测定对乙酰氨基酚的便携式电化学方法及其在药品与临床尿液分析中的应用

《Analytical Methods》：Portable voltammetric determination of acetaminophen using DropSens-based screen-printed carbon electrodes for clinical and pharmaceutical applications

　　

随着对便携式、低成本及可持续分析方法的日益需求，研究人员开发了基于微型化电化学体系用于药物及临床监测。本研究优化了以丝网印刷碳电极(Screen-Printed Carbon Electrodes, SPCE)及氧化镍修饰SPCE(NiO-SPCE)为基础的电化学方法，采用DropSens构型，利用方波伏安法(Square-Wave Voltammetry, SWV)在碱性条件(pH 9.5)下对药品制剂及人尿中对乙酰氨基酚(Acetaminophen, AC)进行伏安定量测定。两种电极均获得低ppm级检出限及较宽线性范围。精密度随基质及电极类型变化，相对标准偏差(RSD)一般低于20%。准确度方面，药品制剂回收率为87~108%，尿液样品超过90%。DropSens平台所得分析结果与常规电化学池相当，且大幅减少样品及试剂消耗。尿液分析的方法验证采用管内固相微萃取-纳升液相色谱-二极管阵列检测(In-Tube Solid-Phase Microextraction coupled to nano Liquid Chromatography with Diode-Array Detection, IT-SPME-nanoLC-DAD)进行，证实了伏安法的可靠性。所拟电极获得的排泄曲线与色谱数据高度吻合，在主要排泄峰(服药后2 h和6 h)处差异低于1%。综上，该微型化电化学方案为复杂生物基质中AC的快速、准确、可持续检测提供了替代方案，在便携性、操作简便性及符合绿色分析化学原则上具显著优势，并使用HEXAGON工具对此进行了佐证。

论文解读：基于DropSens丝网印刷碳电极的对乙酰氨基酚便携式伏安测定法研究

研究背景与目的

对乙酰氨基酚(Acetaminophen, AC，又名Paracetamol)是广泛使用的解热镇痛药，但其毒性（尤肝毒性）及主要降解/代谢杂质对氨基苯酚(para-aminophenol, p-AP)的存在要求准确检测。传统色谱法成本高、耗时且不便携。丝网印刷电极(Screen-Printed Carbon Electrodes, SPCE)因低成本、微型化及表面可修饰受关注，其中氧化镍(NiO)修饰可增强电催化活性。现有NiO-SPCE虽见于血样分析，但应用于人尿实时监测并与实验室基准方法交叉验证的研究较少。本研究旨在建立基于DropSens（滴液式）构型的SPCE及NiO-SPCE便携式伏安平台，采用方波伏安法(Square-Wave Voltammetry, SWV)测定药品及人尿中AC，并通过管内固相微萃取-纳升液相色谱-二极管阵列检测(In-Tube Solid-Phase Microextraction coupled to nano Liquid Chromatography with Diode-Array Detection, IT-SPME-nanoLC-DAD)确证，追踪尿排泄动力学以服务于床旁检测(Point-of-Care Testing, POCT)。

主要关键技术方法

研究人员使用Metrohm DropSens产SPCE及NiO-SPCE（三电极体系，陶瓷基底，工作电极直径4 mm），以910 PSTAT mini恒电位仪采集信号。优化氨水缓冲液(pH 9.5)下SWV参数（频率5 Hz，阶跃电位10 mV，脉冲振幅50 mV，沉积体积40 μL）。药品片经超声、过滤稀释后直接测定；人尿样(n=3, 健康志愿者口服1 g AC片剂，0~10 h收集)经C₁₈-U硅胶固相萃取(Solid-Phase Extraction, SPE)净化后进样。采用标准加入法(Standard Addition Method)绘制校准曲线，并与外标法对比。参比方法为IT-SPME-nanoLC-DAD。绿色度评估采用HEXAGON工具。

研究结果

3.1 Electrochemical characterization of acetaminophen and p-aminophenol

通过循环伏安法(Cyclic Voltammetry, CV)在pH 9.5氨缓冲液中表征AC及p-AP于裸SPCE和NiO-SPCE上的行为。AC在裸SPCE氧化峰电位约0.30 V，NiO-SPCE降至0.17 V，表明NiO降低氧化过电位。NiO-SPCE上AC与p-AP的峰电位差减小至约180 mV（裸SPCE为350 mV），峰电流比(I_pc/I_pa)及ΔE_p显示NiO修饰改善电子传递动力学并具有电催化活性，CV校准斜率显示NiO-SPCE对AC和p-AP灵敏度更高。

3.2 Calibration curves and practicability of carbon-based electrodes

对比差分脉冲伏安法(Differential Pulse Voltammetry, DPV)与SWV。DPV测得裸SPCE对AC线性范围3.5–70 mg L^?1，检出限(Limit of Detection, LOD) 6.5 mg L^?1；NiO-SPCE LOD降至3.6 mg L^?1。SWV灵敏度更高，裸及NiO-SPCE的LOD分别为4 mg L^?1和4 mg L^?1，线性范围20–80 mg L^?1。标准加入法较外标法更适复杂基质。电极间氧化峰电位RSD为2%(SPCE)和5%(NiO-SPCE)，峰电流RSD为9%和12%。裸SPCE可重复使用约20次，NiO-SPCE约12次（以RSD<20%为限）。

3.3 Electroanalysis of pharmaceutical tablets

对含1 g AC的泡腾与非泡腾片进行SWV分析，选用裸SPCE（稳定性更佳）。标准加入法定量，未检出p-AP信号。回收率：泡腾片96–108%，非泡腾片87–105%，与标示量相符，证实DropSens-SPCE平台可靠性。

3.4 Voltammetric determination of acetaminophen in urine samples

直接测定空白尿无线性，经C₁₈-U SPE前处理后明显提升。DropSens构型与常规电化学池校准斜率接近但耗材更少。服药后尿样（2、6、7 h）SWV显示AC排泄峰在2–6 h。以初始剂量归一化计算排泄百分比，SPCE与NiO-SPCE结果一致，最大排泄出现在2–6 h。

3.5 Cross-method comparison and sustainability assessment for urine sample analysis

IT-SPME-nanoLC-DAD作参照，仪器LOD为0.45 μg L^?1。电化学法与色谱法所得排泄曲线差异仅0.5–1%（主排泄峰2 h和6 h），在传感器精密度范围内。HEXAGON评估显示电化学法平均罚分S_av=0.71（色谱法1.83），碳足迹及经济成本显著降低，符合绿色分析化学原则。

讨论与结论翻译

研究人员提出并验证了利用便携式恒电位仪配合SPCE及NiO-SPCE、通过DropSens实验设置进行SWV测定药品及人尿中AC的电化学检测方法。结果表明，裸及NiO修饰SPCE具良好选择性，可作为紧凑、低成本传感器用于微量样品直接分析，DropSens构型延长电极耐用性（尿液中可达12次循环）。NiO修饰电极在裸SPCE灵敏度不足时具额外优势。尿液中AC排泄曲线与色谱参比方法吻合（差异<1%），证实其可靠性。该方法具可持续性——源于SPCE使用、微升级样品需求及简化前处理——使其成为临床与药品质控中传统色谱技术的稳健、经济、环保替代方案。经优化的微型化便携电化学平台在DropSens构型下可提供等同于高端实验室系统的临床信息，与IT-SPME-nanoLC-DAD的高度一致性验证了其用于分散式临床监测的价值；准确追踪尿排泄谱凸显了该低成本工具在个体化医疗及床旁药代动力学中的应用潜力，衔接了材料科学与实际临床应用。