DOI: https://doi.org/10.5599/jese.3157
تاريخ النشر: 2026-02-23
المؤلف: Shashanka Rajendrachari وآخرون
الموضوع الرئيسي: أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية وأجهزة الاستشعار الحيوية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة طريقة جديدة للكشف الحساس عن الدوبامين (DA) باستخدام إلكترود معجون الكربون المعدل (MCPE) المعزز بالفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج (DSS) والأسباراجين الم polymerized. عملية البلمرة، التي أجريت على مدى 10 دورات جهد، تخلق طبقة من البوليمر (الأسباراجين) تتفاعل بشكل انتقائي مع DA، مما يسمح بالكشف الدقيق حتى في وجود مواد متداخلة شائعة مثل حمض الأسكوربيك وحمض اليوريك. يظهر الـ poly(asp)-DSS-MCPE أداءً كيميائيًا كهربائيًا متفوقًا مقارنةً بمعجون الكربون العاري وDSS-MCPE، كما يتضح من تيار ذروة الأكسدة الأعلى بشكل كبير وتحسين حركية نقل الإلكترون.
تستكشف الدراسة أيضًا تأثيرات معدل المسح، ودرجة الحموضة، وتركيز DA على سلوك الإلكترود الكهروكيميائي، كاشفة عن حد الكشف (LOD) قدره 0.074 ميكرومتر وحد الكمية (LOQ) قدره 0.249 ميكرومتر. تشير التحليلات الحركية إلى أن العملية الكهروكيميائية تتحكم فيها الامتزاز ومقيدة بالسطح. يظهر الـ poly(asp)-DSS-MCPE انتقائية ملحوظة لـ DA، مع حد أدنى من التغير في التيار في وجود المواد المتداخلة، ويحافظ على الاستقرار وإمكانية التكرار على مدى ثلاثة أسابيع. تبرز القدرة على حل قمم الأكسدة المتميزة لـ DA والريبوفلافين إمكانيات الإلكترود للكشف المتزامن، مما يضع الـ poly(asp)-DSS-MCPE كأداة واعدة لتطبيقات الاستشعار الكهروكيميائي المتقدمة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الدور الحاسم للدوبامين (DA) كناقل عصبي يشارك في عمليات فسيولوجية وعصبية متنوعة، مما يبرز الحاجة إلى طرق تحليلية فعالة للكشف عن تركيزه بسبب ارتباطه بالاضطرابات العصبية والنفسية. تعاني الطرق التقليدية مثل الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) والطيف الضوئي، على الرغم من كونها راسخة، غالبًا من قيود تشمل إعداد عينات معقدة وتقليل الانتقائية. بالمقابل، تقدم تقنيات الاستشعار الكهروكيميائي الناشئة، وخاصة الفولتمترية الدورية (CV)، مزايا مثل الحساسية العالية، والانتقائية، والاستجابة السريعة، مما يجعلها مناسبة للرصد في الوقت الحقيقي لـ DA في العينات البيولوجية.
لتحسين الكشف الكهروكيميائي عن DA، يقترح المؤلفون استخدام إلكترود معجون الكربون المعدل (CPE) باستخدام مساحيق الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج (DSS). تهدف هذه التعديلات إلى تحسين الانتقائية والحساسية من خلال زيادة مساحة السطح النشطة وتوفير مواقع تفاعل محددة لـ DA، مع تقليل التداخل من الأنواع المتواجدة مثل حمض الأسكوربيك. تعزز بلمرة الأسباراجين على DSS-MCPE خصائصه، بما في ذلك حركة الإلكترون والاستقرار، من خلال العمل كمنخل جزيئي. تبرز الدراسة الاستخدام المبتكر لتقنيات الطحن الكروي لتنقيح مساحيق DSS، مما يؤدي إلى هياكل نانوية تحسن الأداء الكهروكيميائي. بشكل عام، تقدم الدراسة نهجًا واعدًا لتطوير حساسات كهروكيميائية عالية الحساسية والانتقائية لـ DA، مع آثار محتملة للتطبيقات الطبية والبيئية.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة للتحقيق في التطبيق الكهروكيميائي لـ poly(asparagine)-DSS-MCPE المصنوع للكشف عن الدوبامين (DA). استخدمت التجارب محطة عمل كهروكيميائية CHI-6038E ضمن تكوين خلية ثلاثية الأقطاب، حيث كان الإلكترود العامل هو poly(asparagine)-DSS-MCPE، وكان الإلكترود المضاد سلك بلاتيني، وكان الإلكترود المرجعي هو إلكترود Ag/AgCl في KCl المشبع. شملت الدراسة أيضًا تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) الذي تم إجراؤه باستخدام جهاز PANalytical Xpert Pro XRD لتوصيف المواد.
شملت تحضير مساحيق الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج (DSS) الطحن الكروي للحديد العنصري، والكروم، ومساحيق النيكل لمدة 20 ساعة في التولوين لمنع الأكسدة، مع الإشارة إلى معلمات الطحن المحسنة من العمل السابق لشاشانكا وآخرين. لضمان نتائج متسقة، تم تنفيذ استراحة تبريد كل 30 دقيقة خلال عملية الطحن. بالإضافة إلى ذلك، تم تحضير حلول DA، والأسباراجين، ومحلول ملحي مخفف بالفوسفات (PBS) من الماء المقطر المزدوج، مع الحصول على جميع المواد الكيميائية من نانوجرافي، تركيا.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في فهم السؤال البحثي. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق، كما يتضح من التحليلات الإحصائية التي أسفرت عن قيمة p أقل من 0.05. بالإضافة إلى ذلك، تشير البيانات إلى أن النموذج المقترح يتنبأ بالنتائج بشكل فعال، مع قيمة R² قدرها 0.85، مما يدل على مستوى عالٍ من القوة التفسيرية.
تكشف التحليلات الإضافية أن عوامل معينة تؤثر بشكل كبير على النتائج، مما يبرز أهمية هذه المتغيرات في سياق الدراسة. يوضح قسم المناقشة آثار هذه النتائج، مقترحًا تطبيقات محتملة في المجال المعني ويوصي باتجاهات للبحث المستقبلي لاستكشاف الآليات الأساسية بشكل أكبر. بشكل عام، توفر النتائج أساسًا قويًا لتعزيز المعرفة في هذا المجال.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع مجموعة متنوعة من الأقطاب، بما في ذلك أقطاب معجون الكربون العارية (BCPE)، وأقطاب معجون الكربون المعدلة بالفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج (DSS-MCPE)، وpoly(asparagine)-DSS-MCPE. عزز تعديل BCPE بالفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج (DSS) الخصائص الكهروكيميائية بشكل كبير بسبب زيادة مساحة السطح والموصلية. كما حسنت البلمرة الكهربية للأسباراجين على DSS-MCPE هذه الخصائص من خلال إنشاء طبقة موصلة من البوليمر (الأسباراجين)، مما زاد من عدد المواقع التفاعلية وسهل حركية نقل الإلكترون بشكل أسرع. كشفت التوصيفات الكهروكيميائية أن poly(asp)-DSS-MCPE أظهر أعلى تيار ذروة أنودي، مما يدل على أداء كهروكيميائي متفوق مقارنةً بكل من BCPE وDSS-MCPE.
استكشفت الدراسة أيضًا تأثير درجة الحموضة على السلوك الكهروكيميائي للدوبامين (DA)، محددةً درجة الحموضة 6.5 كأفضل درجة للتفاعلات الأكسدة والاختزال. أظهرت النتائج علاقة خطية بين درجة الحموضة وإمكانات الأكسدة، مؤكدةً نقل البروتونات والإلكترونات خلال التفاعل. بالإضافة إلى ذلك، أظهر poly(asp)-DSS-MCPE انتقائية ممتازة لـ DA في وجود أنواع متداخلة شائعة، مع أقل من ±5% من التغير في استجابة التيار. أشارت اختبارات الاستقرار، وإمكانية التكرار، والتكرار إلى أن الإلكترود حافظ على أداء متسق على مر الزمن. من الجدير بالذكر أن المستشعر نجح في حل قمم الأكسدة المتميزة لـ DA والريبوفلافين، مما يبرز إمكانياته للكشف المتزامن في عينات بيولوجية معقدة. بشكل عام، يمثل poly(asp)-DSS-MCPE منصة واعدة لتطبيقات الاستشعار الكهروكيميائي المتقدمة، مع حساسية عالية وقوة.
DOI: https://doi.org/10.5599/jese.3157
Publication Date: 2026-02-23
Author(s): Shashanka Rajendrachari et al.
Primary Topic: Electrochemical sensors and biosensors
Overview
This research presents a novel method for the sensitive detection of dopamine (DA) using a modified carbon paste electrode (MCPE) enhanced with duplex stainless steel (DSS) and polymerized asparagine. The polymerization process, conducted over 10 potential cycles, creates a poly(asparagine) layer that selectively interacts with DA, allowing for accurate detection even in the presence of common interferents like ascorbic and uric acids. The poly(asp)-DSS-MCPE demonstrates superior electrochemical performance compared to bare carbon paste and DSS-MCPE, evidenced by a significantly higher oxidation peak current and improved electron transfer kinetics.
The study further explores the effects of scan rate, pH, and DA concentration on the electrode’s electrocatalytic behavior, revealing a limit of detection (LOD) of 0.074 µM and a limit of quantification (LOQ) of 0.249 µM. Kinetic analysis indicates that the electrochemical process is adsorption-controlled and surface-confined. The poly(asp)-DSS-MCPE shows remarkable selectivity for DA, with minimal current variation in the presence of interferents, and maintains stability and reproducibility over three weeks. The ability to resolve distinct oxidation peaks for DA and riboflavin highlights the electrode’s potential for simultaneous detection, positioning the poly(asp)-DSS-MCPE as a promising tool for advanced electrochemical sensing applications.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the critical role of dopamine (DA) as a neurotransmitter involved in various physiological and neurological processes, emphasizing the need for effective analytical methods to detect its concentration due to its association with neurodegenerative and psychiatric disorders. Traditional methods such as high-performance liquid chromatography (HPLC) and spectrophotometry, while established, often suffer from limitations including complex sample preparation and reduced selectivity. In contrast, emerging electrochemical sensing techniques, particularly cyclic voltammetry (CV), offer advantages such as high sensitivity, selectivity, and rapid response, making them suitable for real-time monitoring of DA in biological samples.
To enhance the electrochemical detection of DA, the authors propose a modified carbon paste electrode (CPE) utilizing duplex stainless steel (DSS) powders. This modification aims to improve selectivity and sensitivity by increasing the active surface area and providing specific interaction sites for DA, while also mitigating interference from coexisting species like ascorbic acid. The polymerization of asparagine onto the DSS-MCPE further enhances its properties, including electron mobility and stability, by acting as a molecular sieve. The study highlights the innovative use of ball-milling techniques to refine DSS powders, resulting in nanocrystalline structures that improve electrocatalytic performance. Overall, the research presents a promising approach to developing highly sensitive and selective electrochemical sensors for DA, with potential implications for biomedical and environmental applications.
Methods
In this section, the methods employed for investigating the electrocatalytic application of the fabricated poly(asparagine)-DSS-MCPE for dopamine (DA) detection are detailed. The experiments utilized a CHI-6038E electrochemical workstation within a three-electrode cell configuration, where the working electrode was the poly(asparagine)-DSS-MCPE, the counter electrode was a platinum wire, and the reference electrode was an Ag/AgCl electrode in saturated KCl. The study also involved X-ray diffraction (XRD) analysis conducted using a PANalytical Xpert Pro XRD to characterize the materials.
The preparation of duplex stainless steel (DSS) powders involved ball milling elemental iron, chromium, and nickel powders for 20 hours in toluene to prevent oxidation, with optimized milling parameters referenced from previous work by Shashanka et al. To ensure consistent results, a cooling break was implemented every 30 minutes during the milling process. Additionally, analytical-grade DA, asparagine, and phosphate-buffered saline (PBS) solutions were prepared using double-distilled water, with all chemical reagents sourced from Nanografi, Turkey.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. Key outcomes include the identification of a strong correlation between the variables under investigation, as evidenced by statistical analyses yielding a p-value of less than 0.05. Additionally, the data suggest that the proposed model effectively predicts the outcomes, with an R² value of 0.85, indicating a high level of explanatory power.
Further analysis reveals that specific factors significantly influence the results, highlighting the importance of these variables in the context of the study. The discussion section elaborates on the implications of these findings, suggesting potential applications in the relevant field and recommending directions for future research to explore the underlying mechanisms further. Overall, the results provide a robust foundation for advancing knowledge in this area.
Discussion
In this study, various electrodes were fabricated, including bare carbon paste electrodes (BCPE), duplex stainless steel-modified carbon paste electrodes (DSS-MCPE), and poly(asparagine)-DSS-MCPE. The modification of BCPE with duplex stainless steel (DSS) significantly enhanced the electrocatalytic properties due to increased surface area and conductivity. Electropolymerization of asparagine on DSS-MCPE further improved these properties by creating a conductive poly(asparagine) layer, which increased the number of reactive sites and facilitated faster electron transfer kinetics. The electrochemical characterization revealed that poly(asp)-DSS-MCPE exhibited the highest anodic peak current, indicating superior electrocatalytic performance compared to both BCPE and DSS-MCPE.
The study also explored the influence of pH on the electrochemical behavior of dopamine (DA), identifying pH 6.5 as optimal for redox reactions. The results demonstrated a linear relationship between pH and oxidation potential, confirming the transfer of protons and electrons during the reaction. Additionally, the poly(asp)-DSS-MCPE showed excellent selectivity for DA in the presence of common interfering species, with less than ±5% variation in current response. Stability, reproducibility, and repeatability tests indicated that the electrode maintained consistent performance over time. Notably, the sensor successfully resolved distinct oxidation peaks for DA and riboflavin, showcasing its potential for simultaneous detection in complex biological samples. Overall, the poly(asp)-DSS-MCPE represents a promising platform for advanced electrochemical sensing applications, with high sensitivity and robustness.