Przełom w diagnostyce: nowy czujnik do wykrywania dopaminy i salbutamolu

Czy nowatorska elektrochemia zmienia diagnostykę?

Tlenek żelaza (Fe₂O₃) w połączeniu z węglowymi kropkami pochodzącymi ze słomy ryżowej (RSCD) umożliwia jednoczesną elektrochemiczną detekcję dopaminy i salbutamolu z wyjątkową dokładnością. Naukowcy opracowali czujnik oparty na elektrodzie ze szkła węglowego modyfikowanej kompozytem Fe₂O₃–RSCD, który może zrewolucjonizować metody diagnostyczne w neurologii oraz monitoring bezpieczeństwa żywności.

Dopamina jest kluczowym neuroprzekaźnikiem regulującym kontrolę motoryczną, nastrój i funkcje poznawcze, a jej nieprawidłowe stężenia są powiązane z poważnymi chorobami neurologicznymi, takimi jak choroba Parkinsona, schizofrenia i depresja. Prawidłowe stężenie dopaminy w osoczu ssaków wynosi około 0,33 μg L⁻¹ (≈2,15 nM), natomiast stężenie w moczu zmienia się w zależności od aktywności metabolicznej, poziomu stresu i diety. Długotrwałe odchylenia od prawidłowych poziomów dopaminy mogą zakłócać komunikację neuronalną, prowadząc do nieodwracalnych uszkodzeń funkcji mózgu.

Z kolei salbutamol, agonista receptorów β₂-adrenergicznych powszechnie przepisywany w leczeniu astmy i przewlekłej obturacyjnej choroby płuc (POChP), jest często nadużywany jako promotor wzrostu w hodowli zwierząt w celu zwiększenia masy mięśniowej. Takie zastosowanie narusza przepisy dotyczące bezpieczeństwa żywności i stanowi istotne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego, w tym powikłania sercowo-naczyniowe, drżenia mięśni i zaburzenia metaboliczne. Agencje regulacyjne, w tym Europejska Agencja Leków (EMA) i amerykańska Agencja Żywności i Leków (FDA), ustaliły maksymalne limity pozostałości (MRL) dla salbutamolu w produktach pochodzenia zwierzęcego – 1 μg L⁻¹ (≈4 nM) w moczu i 0,5 μg kg⁻¹ (≈2 nM) w tkance mięśniowej.

Konwencjonalne metody wykrywania tych związków, takie jak wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC) i spektrometria masowa, są często krytykowane za czasochłonność, wysokie koszty i wymóg rozbudowanego przygotowania próbek. Dlatego czujniki elektrochemiczne zyskują na znaczeniu dzięki prostocie, szybkiej odpowiedzi i możliwości jednoczesnego wykrywania wielu analitów. Wyzwaniem jest jednak rozdzielenie nakładających się pików utleniania dopaminy i salbutamolu, co często komplikuje jednoczesną detekcję.

Jakie wyzwania niesie jednoczesna detekcja?

Jednoczesna elektrochemiczna detekcja dopaminy i salbutamolu przy użyciu elektrody ze szkła węglowego (GCE) modyfikowanej Fe₂O₃–RSCD nie była wcześniej opisywana w literaturze. Dotychczasowe badania koncentrowały się głównie na indywidualnej detekcji tych analitów przy użyciu różnych czujników opartych na nanomateriałach.

Do detekcji dopaminy stosowano różnorodne nanomateriały w celu zwiększenia czułości i selektywności. Materiały na bazie grafenu, takie jak kropki kwantowe grafenu (GQDs) i zredukowany tlenek grafenu (RGO), były szeroko wykorzystywane ze względu na wysoką przewodność i dużą powierzchnię. Dodatkowo, tlenki metali, takie jak CuSe, FeOOH/Fe₂O₃ i nanocząstki Cu@ZnO, były włączane do platform czujnikowych w celu ułatwienia przenoszenia elektronów i poprawy rozdzielczości sygnału redoks.

Do detekcji salbutamolu badano tlenki metali przejściowych i kompozyty, takie jak Tb₄O₇/RGO, UiO-66/RGO i WS₂/węgiel aktywowany (AC), osiągając znaczące obniżenie granicy wykrywalności poprzez woltamperometrię pulsową różnicową (DPV). Jednakże, materiały te były zwykle optymalizowane do detekcji pojedynczego analitu, a nie do jednoczesnej detekcji dopaminy i salbutamolu.

Co wyróżnia kompozyt Fe₂O₃–RSCD?

Nowatorskie podejście przedstawione w badaniu polega na zastosowaniu kompozytu Fe₂O₃–RSCD do modyfikacji elektrody ze szkła węglowego (GCE). Tlenek żelaza (Fe₂O₃) został wybrany ze względu na swoje właściwości katalityczne, przyjazność dla środowiska i niski koszt. Natomiast węglowe kropki pochodzące ze słomy ryżowej (RSCD) charakteryzują się wysoką przewodnością, biokompatybilnością i możliwością modyfikacji chemicznej powierzchni.

Integracja Fe₂O₃ z RSCD zapewnia synergistyczne wzmocnienie właściwości elektrochemicznych, umożliwiając wysoce selektywną i czułą detekcję obu analitów. Komponent Fe₂O₃ przyczynia się do doskonałej aktywności elektrokatalitycznej, podczas gdy RSCD zwiększają przewodnictwo i dostępną powierzchnię aktywną. Ta nowatorska konstrukcja elektrody skutecznie rozdziela nakładające się piki utleniania, co stanowiło kluczowe ograniczenie we wcześniejszych metodach detekcji.

Czy analizy strukturalne potwierdzają jakość materiału?

W przeprowadzonych badaniach zastosowano szereg technik charakteryzacyjnych do analizy właściwości strukturalnych, optycznych i chemicznych materiałów. Analiza XRD potwierdziła krystaliczną strukturę Fe₂O₃ z pikami dyfrakcyjnymi odpowiadającymi płaszczyznom (012), (104), (110) i (116), zgodnie z kartą JCPDS nr 33-0664. Kompozyt 5Fe₂O₃–RSCD wykazał ostrzejsze piki dyfrakcyjne o zwiększonej intensywności, co świadczy o zwiększonej krystaliczności i dobrze rozproszonej fazie tlenku żelaza.

Spektroskopia Ramana ujawniła pasma D i G charakterystyczne dla struktur węglowych z defektami i struktur grafitowych w RSCD. Stosunek intensywności (I_D/I_G) systematycznie wzrastał od 1Fe₂O₃–RSCD do 5Fe₂O₃–RSCD (odpowiednio 0,84, 0,86 i 0,90), wskazując na rosnący stopień defektów przy wyższym ładunku Fe. Te defekty tworzą aktywne miejsca korzystne dla reakcji redoks w zastosowaniach elektrochemicznych.

Analiza SEM i TEM ujawniła odrębne morfologie Fe₂O₃ i kompozytu 5Fe₂O₃–RSCD. Fe₂O₃ wykazuje strukturę cząsteczkową z dobrze zdefiniowanymi krawędziami, podczas gdy kompozyt 5Fe₂O₃–RSCD prezentuje heterogeniczną i porowatą morfologię z połączonymi matrycami węglowymi zdobionymi cząstkami Fe₂O₃. Ta porowata architektura zwiększa powierzchnię właściwą, zapewniając więcej aktywnych miejsc dla reakcji elektrochemicznych.

Jak wpływają warunki elektrochemiczne na odpowiedź czujnika?

Elektroda modyfikowana kompozytem 5Fe₂O₃–RSCD wykazała znacznie lepszą odpowiedź elektrochemiczną w porównaniu do niemodyfikowanej elektrody GCE, elektrody modyfikowanej samym RSCD lub samym Fe₂O₃. Krzywe cyklicznej woltametrii (CV) dla roztworu zawierającego 10 μM dopaminy i 10 μM salbutamolu na elektrodzie 5Fe₂O₃–RSCD/GCE wykazały wyraźne piki utleniania przy potencjałach +0,24 V dla dopaminy i +0,60 V dla salbutamolu.

Wartości pH roztworu miały znaczący wpływ na odpowiedzi elektrochemiczne, co wskazuje na zależność procesu utleniania elektrochemicznego od liczby zaangażowanych protonów. Optymalne pH dla detekcji obu analitów ustalono na 5,0. Mechanizm utleniania elektrochemicznego dopaminy i salbutamolu na elektrodzie 5Fe₂O₃–RSCD/GCE obejmuje równą liczbę elektronów i protonów.

Jak zoptymalizowano przenoszenie ładunku i powierzchnię elektrody?

Spektroskopia impedancji elektrochemicznej (EIS) wykazała, że elektroda 5Fe₂O₃–RSCD/GCE charakteryzuje się niższym oporem przeniesienia ładunku (R_ct) w porównaniu do elektrody modyfikowanej samym Fe₂O₃, co sugeruje zwiększoną wydajność przenoszenia ładunku, prawdopodobnie dzięki synergistycznemu efektowi Fe₂O₃ i RSCD, który ułatwia mobilność elektronów i zmniejsza opór międzyfazowy.

Powierzchnia elektrody 5Fe₂O₃–RSCD/GCE została określona przy użyciu metody cyklicznej woltametrii, rejestrując sygnał prądu szczytowego roztworu zawierającego 1 mM K₃[Fe(CN)₆]/K₄[Fe(CN)₆] przy różnych szybkościach skanowania. Wartości powierzchni aktywnej (A) wynosiły 0,048 cm² dla czystej GCE oraz odpowiednio 0,082, 0,059 i 0,060 cm² dla RSCD/GCE, Fe₂O₃/GCE i Fe₂O₃–RSCD/GCE. Większa powierzchnia aktywna Fe₂O₃–RSCD/GCE w porównaniu z czystą GCE potwierdza skuteczność kompozytu Fe₂O₃–RSCD w zwiększaniu dostępnej powierzchni elektrody.

Czy czujnik spełnia rygorystyczne wymagania analityczne?

Opracowany czujnik charakteryzuje się imponującymi parametrami analitycznymi. Granice wykrywalności (LOD) wynoszą 0,02 μM dla dopaminy i 0,03 μM dla salbutamolu, z liniowym zakresem od 0,1 μM do 92 μM dla obu analitów. Czułość czujnika wynosi odpowiednio 0,343 μA μM⁻¹ dla dopaminy i 0,718 μA μM⁻¹ dla salbutamolu, co wskazuje na wysoką responsywność w badanym zakresie stężeń.

Badania powtarzalności i odtwarzalności potwierdziły stabilność i niezawodność elektrody 5Fe₂O₃–RSCD/GCE. Względne odchylenie standardowe (RSD) dla trzech różnych stężeń (0,1 μM, 1,8 μM i 40 μM) wynosiło odpowiednio 0,6%, 0,2% i 0,1% dla dopaminy oraz 1,4%, 0,1% i 0,1% dla salbutamolu, co potwierdza doskonałą powtarzalność metody.

Ocena wpływu potencjalnych interferentów wykazała, że związki organiczne i nieorganiczne często występujące w matrycach biologicznych, takie jak kwas askorbinowy, klenbuterol, kwas moczowy, chlorek sodu, chlorek żelaza, azotan wapnia i siarczan amonu, miały minimalny wpływ na detekcję dopaminy i salbutamolu, z wartościami względnego błędu (RE) w zakresie ±5%.

Jak czujnik sprawdza się w praktyce?

Praktyczna przydatność metody została potwierdzona poprzez analizę próbek moczu zwierzęcego. Pięć próbek moczu zwierzęcego pobrano z trzech rzeźni w mieście Hue w środkowym Wietnamie. Stężenia dopaminy i salbutamolu oznaczano techniką DPV, uzupełnioną konwencjonalną metodą dodatku wzorca. Uzyskane wartości odzysku (recovery) w zakresie od 96% do 105% podkreślają precyzję i niezawodność techniki DPV w zastosowaniu do próbek moczu. Porównawcza analiza z wykorzystaniem HPLC nie wykazała statystycznie istotnych różnic między metodami, co potwierdza wiarygodność opracowanej techniki elektrochemicznej.

Opracowany czujnik elektrochemiczny oparty na kompozycie Fe₂O₃–RSCD oferuje szybką, ekonomiczną i dokładną metodę jednoczesnego wykrywania dopaminy i salbutamolu. Jego potencjalne zastosowania obejmują monitorowanie neurotransmiterów w diagnostyce medycznej oraz zapewnienie bezpieczeństwa żywności poprzez wykrywanie nielegalnych pozostałości salbutamolu. Ta innowacyjna platforma czujnikowa przezwycięża kluczowe ograniczenia istniejących metod i stanowi skalowalną, opłacalną alternatywę dla konwencjonalnych technik analitycznych.

Podsumowanie

Opracowany czujnik elektrochemiczny, wykorzystujący kompozyt Fe2O3-RSCD (tlenek żelaza z węglowymi kropkami ze słomy ryżowej) do modyfikacji elektrody ze szkła węglowego, stanowi przełomowe rozwiązanie w dziedzinie diagnostyki. Umożliwia jednoczesną i precyzyjną detekcję dopaminy oraz salbutamolu, osiągając granice wykrywalności na poziomie 0,02 μM dla dopaminy i 0,03 μM dla salbutamolu. Synergistyczne połączenie właściwości katalitycznych Fe2O3 z wysoką przewodnością RSCD zapewnia doskonałą selektywność i czułość detekcji. Czujnik wykazuje wysoką stabilność, powtarzalność wyników oraz odporność na interferenty, co potwierdzono w praktycznych testach na próbkach moczu zwierzęcego. Technologia ta oferuje szybszą, tańszą i równie skuteczną alternatywę dla konwencjonalnych metod analitycznych, znajdując zastosowanie zarówno w diagnostyce neurologicznej, jak i w kontroli bezpieczeństwa żywności.

Bibliografia

Van Hop Nguyen, Le My Linh Nguyen, Ngoc Anh Vo Chau, Nguyen Do Mai and Tam Toan Tran Thanh. Fe₂O₃–rice straw carbon dot composite for simultaneous electrochemical detection of dopamine and salbutamol. Nanoscale Advances 2025, 1025(4), 154-162. DOI: https://doi.org/10.1039/d5na00065c.