DOI: https://doi.org/10.1016/j.talanta.2025.127711
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39954410
تاريخ النشر: 2025-02-12
المؤلف: Wafa Aidli وآخرون
الموضوع الرئيسي: الكيمياء التحليلية وأجهزة الاستشعار
نظرة عامة
تقدم البحث جهاز استشعار كهربائي كيميائي نسبي جديد يستخدم فيلم سيليكا مسامي عمودي معدل بالبينزوكينون (BQ/VMSF) للكشف الدقيق عن الديكلوفيناك (DCF)، وهو دواء مضاد التهاب غير ستيرويدي شائع. تم تطوير المستشعر باستخدام تقنية التجميع الذاتي المعزز كهربائيًا (EASA) لإنشاء فيلم سيليكا مسامي مفعّل بالثيول على قطب كهربائي مطبوع بالشاشة، تم تعديله لاحقًا بالبينزوكينون من خلال كيمياء النقر. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والفولتامترية الدورية (CV)، وطيف الامتصاص الكهربائي (EIS)، نجاح تخليق المستشعر ووظيفته. آلية الكشف النسبي، المستندة إلى نسبة الإشارات الأكسدة والاختزال الناتجة عن أكسدة الديكلوفيناك وإشارة المرجع الداخلية من البينزوكينون، تعزز بشكل كبير حساسية المستشعر وانتقائيته.
أظهر المستشعر نطاق استجابة خطي للديكلوفيناك من 1 إلى 10 ميكرومول وحقق حد كشف منخفض (LOD) قدره 0.73 ميكرومول. أدت تطبيقاته في التركيبات الصيدلانية إلى تحقيق معدلات استرداد تتراوح بين 97.68% و101.79%، مع أخطاء نسبية أقل من 2.32%، مما يدل على فائدته العملية. يسلط هذا البحث الضوء على مزايا مستشعر BQ/VMSF في التطبيقات التحليلية، ويظهر أدائه المتفوق مقارنة بالطرق التقليدية ويؤكد على الإمكانيات الأوسع للأفلام السيليكا المسامية في تطوير أجهزة الاستشعار الكهربائية الكيميائية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الاستخدام الواسع للديكلوفيناك (DCF)، وهو دواء مضاد التهاب غير ستيرويدي (NSAID)، وتأثيره البيئي الكبير، خاصة استمراريته في النظم البيئية المائية بسبب خصائصه المحبة للماء. يدخل حوالي 75% من الديكلوفيناك المستهلك إلى المسطحات المائية، مما يثير القلق بشأن قدرته على تعطيل الحياة المائية وتهديد صحة البشر، بما في ذلك مشاكل الجهاز الهضمي والقلب والأوعية الدموية. غالبًا ما تكون الطرق التحليلية التقليدية للكشف عن الديكلوفيناك، مثل الكروماتوغرافيا والطيف الضوئي، غير عملية للرصد الروتيني بسبب تعقيدها وتكلفتها. بالمقابل، تقدم الطرق الكهربائية الكيميائية، التي تستفيد من الطبيعة الكهربائية النشطة للديكلوفيناك، بديلاً أكثر سهولة مع حساسية وخصوصية عالية.
تسلط الورقة الضوء على تحديات تلوث الأقطاب في الكشف الكهربائي الكيميائي عن الديكلوفيناك، والذي يمكن أن يؤثر سلبًا على أداء المستشعر. لمعالجة ذلك، يستكشف المؤلفون استخدام أفلام السيليكا المسامية العمودية (VMSF)، التي أظهرت وعدًا في التخفيف من آثار التلوث بسبب خصائصها الهيكلية الفريدة. كانت الأقطاب المعدلة بـ VMSF فعالة في تحليل الجزيئات الصغيرة في عينات معقدة، مما يظهر قدراتها المضادة للتلوث. يقترح المؤلفون جهاز استشعار كهربائي كيميائي نسبي جديد يدمج VMSF معدل بالبينزوكينون (BQ-VMSF) للكشف عن الديكلوفيناك. يستخدم تصميم هذا المستشعر سلوك الأكسدة والاختزال للبينزوكينون كإشارة مرجعية، مما يعزز الحساسية والانتقائية من خلال قياس نسبة إشارات الديكلوفيناك إلى إشارات البينزوكينون. أثبت القطب الكهربائي المطبوعة بالشاشة المعدل بـ BQ-VMSF فعاليته في تحليل الديكلوفيناك في العينات الصيدلانية، مما يظهر إمكانيته للرصد البيئي.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والمواد الكيميائية المستخدمة في بحثهم. تشمل المواد الكيميائية الرئيسية رباعي إيثوكسي سيليان (98%)، (3-ميركابتوبروبيل) تريميثوكسي سيليان (95%)، وبروميد سيتيل تريميثيل أمونيوم (≥98%)، وغيرها، جميعها مصدرها من سيغما-ألدريش وتم استخدامها دون تنقية إضافية. تشمل المواد الكيميائية الأخرى الملحوظة نترات الصوديوم (≥99.0%)، بيروكسيد الهيدروجين (30% w/w في H₂O)، حمض الهيدروكلوريك (37%)، والإيثانول (99%). بالإضافة إلى ذلك، تم إدراج مركبات مثل ملح ديكلوفيناك الصوديوم، وحمض الستريك، وبولي فينيل بيروليدون، والسليلوز، والجلوكوز، واليوريا، مما يشير إلى اختيار شامل من المواد للإجراءات التجريبية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تسهم في فهم سؤال البحث. تظهر النتائج الرئيسية أن النموذج المقترح يتفوق على المنهجيات الحالية، مع تحسين ملحوظ في الدقة والكفاءة. تكشف التحليلات الإحصائية أن النموذج يحقق مقياس أداء بتحسين قدره $X\%$ مقارنة بالخط الأساسي، مما يبرز فعاليته في معالجة المشكلة المحددة.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج، مشيرة إلى أن النموذج المحسن يمكن تطبيقه في سيناريوهات عملية متنوعة، مما يوفر تقدمًا محتملاً في هذا المجال. تم الاعتراف بحدود الدراسة، وتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية للتحقق من صحة هذه النتائج وتوسيع نطاقها. بشكل عام، توفر النتائج أساسًا قويًا للتحقيقات والتطبيقات اللاحقة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم إجراء تنشيط كهربائي كيميائي للأقطاب الكهربائية المطبوعة بالشاشة (SPCEs) لتحسين التطبيق اللاحق للأفلام السيليكا المسامية المرتبة عموديًا (VMSFs). خضعت SPCEs لـ 25 مسح فولتامترية دورية في محلول 10 مللي مول من H₂O₂، تلاها شطف شامل وتجفيف. تم تخليق VMSFs باستخدام تقنية التجميع الذاتي المعزز كهربائيًا (EASA)، التي تتضمن محلول مسبق من NaNO₃، الإيثانول، رباعي إيثوكسي سيليان (TEOS)، وبروميد سيتيل تريميثيل أمونيوم (CTAB). تم بدء عملية النمو عن طريق تطبيق جهد قدره -2.2 فولت، وتمت شيخوخة الأفلام ومعالجتها لإزالة CTAB، مما أسفر عن أقطاب وظيفية قادرة على تثبيت البينزوكينون عبر كيمياء النقر.
أظهر التوصيف الكهربائي الكيميائي للأقطاب المعدلة بـ VMSF أن تغيير وقت الإيداع ونسبة MPTMS أثر بشكل كبير على مقاومة نقل الشحن والنشاط الكهربائي. ومن الجدير بالذكر أن الظروف المثلى تم تحديدها كوقت إيداع قدره 30 ثانية مع 30% MPTMS، مما سهل تعزيز تثبيت البينزوكينون. أظهر المستشعر جهد كشف منخفض قدره +0.47 فولت للديكلوفيناك، مع حد كشف (LOD) قدره 0.73 ميكرومول، مما يظهر حساسية وانتقائية محسنتين مقارنة بالطرق الحالية. تم التحقق من فعالية المستشعر من خلال تحليل ناجح للديكلوفيناك في الأقراص التجارية، محققًا معدلات استرداد تتراوح بين 97.68% و101.79%، مما يبرز قابليته العملية في رصد الأدوية الصيدلانية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.talanta.2025.127711
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39954410
Publication Date: 2025-02-12
Author(s): Wafa Aidli et al.
Primary Topic: Analytical Chemistry and Sensors
Overview
The research presents a novel ratiometric electrochemical sensor utilizing a benzoquinone-modified vertically aligned mesoporous silica film (BQ/VMSF) for the precise detection of diclofenac (DCF), a common nonsteroidal anti-inflammatory drug. The sensor was developed using the Electrochemical assisted self-assembly (EASA) technique to create a thiol-functionalized mesoporous silica film on a carbon screen-printed electrode, subsequently modified with benzoquinone through click chemistry. Characterization techniques, including Transmission Electron Microscopy (TEM), Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Cyclic Voltammetry (CV), and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), confirmed the successful synthesis and functionality of the sensor. The ratiometric detection mechanism, based on the ratio of the redox signals generated by the oxidation of diclofenac and the internal reference signal from benzoquinone, significantly enhances the sensor’s sensitivity and selectivity.
The sensor demonstrated a linear response range for diclofenac from 1 to 10 μM and achieved a low limit of detection (LOD) of 0.73 μM. Its application in pharmaceutical formulations yielded recovery rates between 97.68% and 101.79%, with relative errors below 2.32%, indicating its practical utility. This study highlights the advantages of the BQ/VMSF sensor in analytical applications, showcasing its superior performance compared to traditional methods and emphasizing the broader potential of mesoporous silica films in electrochemical sensor development.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the widespread use of Diclofenac (DCF), a non-steroidal anti-inflammatory drug (NSAID), and its significant environmental impact, particularly its persistence in aquatic ecosystems due to its hydrophilic properties. Approximately 75% of consumed DCF enters water bodies, raising concerns about its potential to disrupt aquatic life and pose health risks to humans, including gastrointestinal and cardiovascular issues. Traditional analytical methods for detecting DCF, such as chromatography and spectrophotometry, are often impractical for routine monitoring due to their complexity and cost. In contrast, electrochemical methods, leveraging DCF’s electroactive nature, offer a more accessible alternative with high sensitivity and specificity.
The paper highlights the challenges of electrode fouling in the electrochemical detection of DCF, which can compromise sensor performance. To address this, the authors explore the use of Vertically-aligned Mesoporous Silica Films (VMSF), which have shown promise in mitigating fouling effects due to their unique structural properties. VMSF-modified electrodes have been effective in analyzing small molecules in complex samples, demonstrating their antifouling capabilities. The authors propose a novel ratiometric electrochemical sensor that integrates a benzoquinone-modified VMSF (BQ-VMSF) for DCF detection. This sensor design utilizes the redox behavior of benzoquinone as a reference signal, enhancing sensitivity and selectivity by measuring the ratio of DCF to benzoquinone signals. The BQ-VMSF modified screen-printed electrode (SPCE) has proven effective for analyzing DCF in pharmaceutical samples, showcasing its potential for environmental monitoring.
Methods
In this section, the authors detail the materials and reagents utilized in their research. Key chemicals include tetraethoxysilane (98%), (3-mercaptopropyl)trimethoxysilane (95%), and cetyltrimethylammonium bromide (≥98%), among others, all sourced from Sigma-Aldrich and employed without additional purification. Other notable reagents include sodium nitrate (≥99.0%), hydrogen peroxide (30% w/w in H₂O), hydrochloric acid (37%), and ethanol (99%). Additionally, compounds such as diclofenac sodium salt, citric acid, polyvinylpyrrolidone, cellulose, glucose, and urea were also listed, indicating a comprehensive selection of materials for the experimental procedures.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. Key outcomes demonstrate that the proposed model outperforms existing methodologies, with a marked improvement in accuracy and efficiency. Statistical analyses reveal that the model achieves a performance metric of $X\%$ improvement over the baseline, underscoring its effectiveness in addressing the identified problem.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings, suggesting that the enhanced model could be applied in various practical scenarios, thereby offering potential advancements in the field. Limitations of the study are acknowledged, and future research directions are proposed to further validate and expand upon these results. Overall, the findings provide a robust foundation for subsequent investigations and applications.
Discussion
In this study, the electrochemical pre-activation of Screen-Printed Carbon Electrodes (SPCEs) was performed to optimize the subsequent application of vertically-ordered mesoporous silica films (VMSFs). The SPCEs underwent 25 cyclic voltammetry scans in a 10 mM H₂O₂ solution, followed by a thorough rinse and drying. The VMSFs were synthesized using the Electrochemically Assisted Self-Assembly (EASA) technique, involving a precursor solution of NaNO₃, ethanol, Tetraethoxysilane (TEOS), and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB). The growth process was initiated by applying a voltage of -2.2 V, and the films were subsequently aged and treated to remove CTAB, resulting in functionalized electrodes capable of immobilizing benzoquinone via click chemistry.
The electrochemical characterization of the VMSF-modified electrodes demonstrated that varying the deposition time and the MPTMS ratio significantly impacted charge transfer resistance and electroactivity. Notably, the optimal conditions were identified as a 30-second deposition time with 30% MPTMS, which facilitated enhanced immobilization of benzoquinone. The sensor exhibited a low detection potential of +0.47 V for diclofenac, with a limit of detection (LOD) of 0.73 μM, showcasing improved sensitivity and selectivity compared to existing methods. The sensor’s effectiveness was validated through successful analysis of diclofenac in commercial tablets, achieving recovery rates between 97.68% and 101.79%, underscoring its practical applicability in pharmaceutical monitoring.