サルブタモールの電気化学的定量のための電極ナノ材料としての硫化ビスマスナノロッドと還元酸化グラフェン上のポリアミドアミンデンドリマーの開発

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8902 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

新しい種類のナノ材料であるデンドリマーは、さまざまな分野で注目を集めています。この研究では、ポリアミドアミン (PAMAM) デンドリマーと還元酸化グラフェン (rGO) および硫化ビスマス (Bi2S3) の利点を組み合わせることで、新しい複合材料を設計し、電気化学センサーへの応用を初めて調査しました。複合材料の調製における新しいアプローチとして、PAMAM を初めて使用して rGO による Bi2S3 の表面積を増加させました。これにより、最終的にセンサーの活性表面積が増加しました (裸電極と比較して 5 倍)。。我々は初めて、PAMAM と Bi2S3 および rGO の間の相互作用に超音波化学法を使用しました。これは、複合材料を調製するためのより簡単で迅速な方法でした。複合材料の意図的な設計は、コンポーネントの最適な組成を得るために実験計画法を使用して行われました。新しいナノ複合材料は、食品の健康を管理するためのサルブタモールの簡単かつ高感度な電気化学的センシングに適用することに成功しました。サルブタモールは、動物および家禽の飼料に禁止された添加物として使用されています。このセンサーは優れた感度 (裸電極と比較して 35 倍) と低い検出限界 (1.62 nmol/L) を備えています。さらに、許容可能な選択性、良好な再現性 (1.52 ～ 3.50%)、良好な再現性 (1.88%)、満足のいく精度 (回収率: 84.6 ～ 97.8%) を備えています。このセンサーの優れた特徴は、その広い直線範囲 (5.00 ～ 6.00 × 102 nmol/L) です。このセンサーは、牛乳、ソーセージ、家畜および家禽の飼料サンプル中のサルブタモールの測定に適しています。

サルブタモール (SAL) は、芳香環と末端アミノ基を持つ β2 アドレナリン作動薬の一種です。サルブタモールは、体脂肪を減少させ、タンパク質の付着を増加させることにより、動物の成長と摂食効率を高めるのに役立ちます1。しかし、それは動物の体内で蓄積する可能性があり、肉を摂取した後の人間の組織にも容易に蓄積する可能性があり、健康関連の問題を引き起こす可能性があります2,3。公衆衛生を保護するために、食糧農業機関 (FAO)、欧州連合 (EU)、および中国は、サルブタモールを含む β2 アドレナリン作動薬の動物性食品摂取をゼロにしなければならないと宣言しました4。しかし、動物飼料中のサルブタモールの違法乱用は決して後を絶ちません。したがって、食品の安全管理のために、飼料や食品サンプル中の低濃度のサルブタモールをスクリーニングするための、簡単、迅速、かつ高感度な方法を普及する必要がある。

SAL を検出する方法としては、高速液体クロマトグラフィー 5、イムノクロマトグラフィー 6、液体クロマトグラフィー質量分析法 7、電気化学的方法など、いくつかの方法が報告されています。電気分析法は、前処理手順が簡単で、低コスト、高感度、短い分析時間、および小型化可能な機器を備えています。したがって、電気分析法は、特に日常検査において大きな注目を集めています。サイクリックボルタンメトリー (CV)8、差動パルスボルタンメトリー (DPV)9、リニアスイープボルタンメトリー (LSV)10、電気化学インピーダンス分光法 (EIS)11、およびアンペロメトリー 12 に基づくさまざまな電気化学的方法が、サルブタモールの測定のために開発されています。したがって、電気分析技術による SAL 測定のための選択的かつ高感度のセンサーの設計と開発は、科学、医療、健康の分野で大きな関心を集めました。

多用途の用途を備えた新しい先端材料の開発は、科学界にとって依然として課題です。開発された材料の設計は、電気化学センサーの性能を向上させる上で重要な役割を果たします。デンドリマーは、三次元構造、末端官能基、および他の分子のホストとして機能する明確な空洞を備えた繰り返し球状分岐分子である新しいクラスのナノマテリアルです13。さまざまなデンドリマーの中で、最も広く使用されているデンドリマーはポリ(アミドアミン) (PAMAM)14 です。ポリアミドアミン (PAMAM) デンドリマーは、10 個の官能性表面基を持つ 11 の異なる世代を持つ「高密度スター」ポリマーです。一連の反復グループにより、PAMAM の各新しい世代が前の世代を中心に形成されます。新しく形成されたPAMAMは優れた特性を持っています。これらの特性は、大きな直径、十分な表面積、そしてより反応性の高い分岐を持っていることです。反応性表面分岐により、PAMAM は医薬化合物の親和性リガンドおよび検出剤として考慮されるようになります 15。これらは、安定した分子量、分子の均一性、特定のサイズ、明確な形状、および多数の表面分岐などの利点により、電気化学センサーの設計および開発において大きな注目を集めています。高性能デンドリマーベースの電気化学センサーを製造するための一般的な候補の中には、デンドリマーと多くの導電性材料を組み合わせることが挙げられます。

現在、電気化学センサーの感度と選択性を高めるために、さまざまな導電性材料が使用されています。センサーのパフォーマンスに大きな影響を与えるいくつかのよく知られた修飾子 (Afzali et al. Ostvar らは、多層カーボンナノチューブ (MWCNT) を使用して、ゼアラレノンとアンチモン (III) を検出するための高感度センサーを設計しました 17,18。また、MWCNT/ポリピロール/フェニルボロン酸をジルチアゼムの電気化学測定に適用しました19。

硫化ビスマス (Bi2S3) は、1.2 ～ 1.7 eV の範囲の直接エネルギーバンドギャップを持つ n 型半導体です。 n 型半導体材料には、電気伝導度に重要な役割を果たす多数の自由電子が含まれています。 Bi2S3 は、その優れた太陽光発電機能、自然の豊かさ、望ましい環境適合性により、強力なセンサー修飾剤として知られています20。有効表面積の減少につながる凝集を防ぐためにカーボン基板と組み合わせることができます21。

層状構造、高い表面積、機械的柔軟性、および電子的特性を備えた二次元 (2D) ナノマテリアルは、センサーの設計において多くの注目を集めています。最も広く使用されている二次元ナノ材料の中で、グラフェンとその誘導体 (酸化グラフェンを還元した酸化グラフェン() を挙げることができます。近年、二次元材料の新しいファミリーである遷移金属炭化物/窒化物 (MXene) が、多くの注目を集めています。その利点にもかかわらず、MXene にはまだ独自の課題と欠点があります。MXene ベースの材料の調製における 2 つの主な制限は、MXene の水分散性が低いことと、MXene の急速な酸化です。したがって、この材料はまだ初期段階にあります」 22,23. その代わり、二次元グラフェンナノ材料とその誘導体は、良好な電気的特性と高い活性表面に加えて、水中での良好な安定性と分散性を備えています。これらのナノ材料の調製は、費用対効果も高くなります。高度な機器は必要ありません。

酸化グラフェン (GO) は、二次元の 1 原子厚さの sp2 結合炭素ネットワークです 24。優れた電子輸送や優れた電極触媒活性などの GO の電気化学的特性により、電極材料として幅広い用途が実現されています 25。 GO の電気化学的活性を高めるために、ほぼすべての酸素含有基を除去することにより、GO は還元酸化グラフェン (rGO) に変換されます 26。還元酸化グラフェン (rGO) は、電気化学センサーにおいて大きな注目を集めています 27。

サルブタモールを迅速、簡単、効率的にスクリーニングできるセンサーの設計は、食品品質管理センターで広く使用できます。動物および家禽の飼料および食品サンプル中のサルブタモールの測定に適したセンサーは、適切な性能に加えて、商業化できるように準備が簡単、迅速、かつ経済的である必要があります。したがって、センサーを作製するための改質剤の設計では、センサーの性能向上の側面とその製品化の側面の両方が考慮されました。センサーの製造に使用される材料の生体適合性も特に重要です。 Joan Chepkoech Kilel らは、MWCNT を使用してサルブタモール測定用のセンサーを準備しました。 MWCNT はその利点にもかかわらず、危険であると考えられており、その製造技術は高価であり、その長さと幾何学的構造により一部の用途が制限される可能性があります 28。 Wang氏らは、銀パラジウムナノ粒子を使用してセンサーを準備した。これらの金属は両方とも高価であり、その使用は経済的ではありません4。そこで、センサーの性能向上に加え、高価な設備を必要とせず、生分解性があり、製造が容易で安価な材料を採用することを試みました。

ここでは、食品サンプル中の SAL を電気化学的に検出するための新しいデンドリマーベースのナノ複合材料を開発しました。 PAMAM はデンドリマーの代表として選択されました。 Bi2S3 と rGO は、デンドリマーの導電性を向上させるために (導電性材料として) 使用されました。実験設計 (中心複合設計 (CCD) および応答曲面法) 手法は、曲率と相互作用項を理解し、ナノ複合材料の性能に影響を与える実験変数 (要因) を最適化するために実装されました。最後に、rGO/PAMAM /Bi2S3 ナノ複合材料の特性を完全に評価し、作製したセンサーを評価して実際のサンプルでの SAL 測定に適用しました。

合成された Bi2S3、rGO、および PAMAM は、電界放射型走査電子顕微鏡 (FE-SEM)、エネルギー分散型 X 線分光法 (EDX)、X 線回折 (XRD)、およびフーリエ変換赤外 (FTIR) 分光法によって特性評価されました。合成された Bi2S3 ナノロッドと rGO の形態を FE-SEM によって調査しました。図1a〜cは、rGO、Bi2S3ナノロッド、rGO/PAMAM/Bi2S3の三次元構造を示しています。また、改質中の比表面積の変化（増加）も示します。 EDX 分析 (図 1g、h) は、合成されたナノ粒子の純度の評価に役立ちます。図1gは、調製したBi2S3サンプルがSおよびBi元素で構成されていることを確認しています。元素マップは、合成されたナノ粒子内の寄与元素の均一な分布を示しています（図1d、e）。 rGOシートの形態を図1a、cに示します。示されているように、rGO は Bi2S3 ナノロッドが周囲に蓄積されたシート (図 1c) を持っています。 rGOシートの明らかな厚さの増加（図1c）は、PAMAMの適用によるものです。 GOのXRDパターン（図1f）は、2θ = 10.9787°で鋭い回折ピークを表します。 Bragg 方程式 (2dsinθ = nλ) を使用すると、GO ナノシート間の層間 d 間隔は 8.05 Å であることが示されます。この値は、酸素を含む官能基化が成功裏に達成されたことを裏付けています29。 GOの水熱還元後、2θ = 10.9787°のピークが消失し、rGOの回折に関連する新しい弱いピークが23.8897°に現れました（図1k）。 rGO シートに対応する層間 d 間隔は 3.72 Å で、GO シートよりも小さいです。これらの減少は、GO の還元中に酸素含有官能基がうまく除去されたことを示しています。 Bi2S3 の XRD パターンは、斜方晶相 Bi2S3 の合成をよく示しています (図 1j)。 rGO/PAMAM/Bi2S3 の回折ピーク (図 1z) は、CPDS カード (No. 17-0320) の Bi2S3 の一般的なピークおよび rGO の 2θ = 23.8897° のピークとよく一致します。

FE-SEM 画像: (a) rGO、(b-1、b-2) Bi2S3、(c-1、c-2) rGO/PAMAM/Bi2S3、マッピング: (d) Bi2S3、(e) rGO/PAMAM/ Bi2S3、および EDX: (g) Bi2S3、および (h) rGO/PAMAM/Bi2S3。 (f) GO、(k) rGO、(j) Bi2S3、(z) rGO/PAMAM/Bi2S3 の XRD 分析。

GO、PAMAM、rGO/PAMAM/Bi2S3 の官能基を研究するために、FTIR 分光法が使用されました (図 2)。約 3400 cm-1 の広い吸収バンドは、-OH 基の伸縮振動に割り当てられます。 GO の FTIR スペクトルにより、1733 cm-1 の末端カルボキシルの C=O 伸縮振動ピーク、1622 cm-1 の芳香環の C=C 振動、1063 cm-1 のアルコキシ C-O、エポキシ C の存在が確認されます。 1229 cm-1 で –O-C、1383 cm-1 で第三級 C-OH。これらの結果は、グラファイトの酸化が成功したことを示しています30。 rGO/PAMAM/Bi2S3 に割り当てられる 1114 cm-a1 のバンドは、rGO と Bi2S3 ナノロッド間の相互作用を示しています 31。 rGO FTIR スペクトルでは、酸素含有官能基のピーク強度の減少は、水熱法による GO の効率的な還元を示しています。

(a) GO、(b) PAMAM、(c) rGO/PAMAM/Bi2S3 の FTIR スペクトル。

(a) rGO-Bi2S3 および (b) PAMAM-Bi2S3 の CCD モデルを使用した、因子レベルに対する応答変化の 3 次元表示。

合成したデンドリマー G3 の FTIR スペクトルは、一級アミンの NH 伸縮については 3354.7 cm-1 に、二級アミンの NH 伸縮については 3270 cm-1 に吸収ピークを示しました。脂肪族 C-H ストレッチのピークは 2934.76 cm-1 と 2863.69 cm-1 に現れました。 1646.65 cm-1 のピークはアミドカルボニル吸収に属し、コアの N-C 伸縮により 1596.28 cm-1 にピークが生じました。 PAMAM G3 デンドリマーの合成が成功すると、脂肪族エステルの C=O のカルボン酸炭素のピーク (1750 ～ 1735 cm-1) が消失し、アミドカルボニルに関連する吸収バンドが 1646.65 cm-132,33 に現れました。

サルブタモール測定の感度を高めるために、電気化学的酸化プロセスに関連する効果的なパラメーターが 1 つずつの方法を使用して最適化されました。次のセクションでは、修飾剤の調製と電気化学測定条件の最適化について説明します。

実験計画法を適用して修飾剤成分の最適組成を選択した。この作業を実行するために、中央複合設計と応答曲面モデリングが使用されました。この分野におけるこれまでの経験と知識に従って、3 つの影響および相互作用因子、つまり Bi2S3、rGO、および PAMAM 量を考慮しました。表 S1 は、因子上のコード化レベルとコード化されていないレベルを示しています。設計の直交性を確保するために、星点 (Na) と中心点 (No) の数はそれぞれ 6 と 6 に設定されました。したがって、処理の総数は (2f. + 2 × f + No) = 20 に等しくなります。設計マトリックスの 20 回の処理はランダムに実行され、5 mmol/L の溶液の DPV 電流 [Fe(CN 0.1 mol/L KCl 中の)6]3-/[Fe(CN)6]4- を応答として考慮しました。次に、CCDに対応する応答曲面モデルを生成しました。 RSM の寄与項は、モデルの分散分析 (ANOVA) テーブルに存在する交互作用および曲率項の有効性に従って選択されました。コード化応答曲面モデルに含まれる重要な項を式 2 に示します。 1. コード化された方程式を使用し、要因の係数を考慮すると、要因の相対的な影響を特定できます。

ここで、A、B、および C は、それぞれ Bi2S3、rGO、および PAMAM の量です。多重決定係数 (R2)、調整済み R2、予測 R2、および F 統計値を含む RSM の統計パラメーターは、それぞれ 0.929、0.878、0.814、および 18.050 に等しくなります。また、純粋な実験的不確実性の平均二乗分散に対する適応度平均二乗の不足は 0.395 であり、これは p = 0.05 の確率レベルでは有意ではありません。モデル統計の評価により、モデルがデータにかなり適合しており、実験応答の変化の大部分 (約 88%) をモデルで説明できることが示されています。さらに、RSM を最大化することにより、Bi2S3、rGO、および PAMAM 濃度 2.248、0.800、0.200 (mg/mL) の最適条件と 267.099 (μA) の理論的応答が予測されました。モデルの予測精度を評価するために、予測された最適条件で 3 回の実行が実行され、これらの結果の平均は 265.200 (μA) でした。この結果は、モデルによって導出された予測応答とよく一致し、最適化手順の信頼性が確認されました。 2 つの変数の 3D 応答曲面プロットの一部を図 3 に示します。一方、他の因子は中央レベルに固定されています。

すべてのボルタンメトリー測定において、支持電解質が重要な役割を果たすため、その pH と組成の影響が最適化されました。この目的を達成するために、pH = 5.0および0.1 mol/Lで、KCl、酢酸、ブリットン・ロビンソン（BR）、およびリン酸緩衝液の溶液をテストしました（図S1A）。 DPV 実験での最大ピーク電流はリン酸緩衝液に属していたため、電気化学測定に最適な支持電解質としてリン酸緩衝液が選択されました。次に、rGO/PAMAM/Bi2S3/GCE での SAL の酸化反応に対する pH の影響を調査するために、pH の範囲 (4.0 ～ 7.0) で DPV を実行しました。図S1Bに示すように、最大電流はpH = 5.0で現れ、これはさらなる研究の最適pHと考えられました。

電気化学信号に影響を与える DPV 法のさまざまなパラメーターは、リン酸緩衝液 (0.1 mol/L、pH = 5.0) 中の 4.00 × 102 nmol/L サルブタモール溶液を使用して最適化されました。これらのパラメータには、パルス振幅、パルス持続時間、スキャン速度、状態時間、および状態電位が含まれます。図S2A〜Eに示すように、パルス振幅、パルス持続時間、スキャン速度、コンディショニング時間、およびコンディショニング電位の最適値は、それぞれ0.30 V、5 ms、0.03 V/s、300 s、+ 0.50 Vです。

電子過程に関与する電子の数を評価するために、陽極ピーク電位 (Epa) と pH の関係を調査しました。図S3に示すように、EpとpHの間には良好な線形関係があり、Ep = − 0.0605 pH + 1.2556（R2 = 0.9869）という式があります。 -0.0605 (V/pH) の傾き値は理論上のネルンスト値に十分近く、SAL の酸化で交換される陽子と電子の数が同じであることを示しています。この発見は、SAL34 の電気酸化には 1 つの電子と 1 つのプロトンだけが関与するという以前に提案されたメカニズムに従っています。

修飾電極の電気化学的有効性は、CV および DPV 法を使用して研究されました。電位を印加するボルタンメトリー法では、電気化学反応の結果として電流が生成され、生成された電流が印加された電位の関数として測定されます。センシング現象の概略図を図S7に示します。この目的を達成するために、リン酸緩衝液 (0.1 mol/L、pH = 5.0) 中の 2.00 × 102 nmol/L サルブタモール溶液の CV および DPV ボルタモグラムをテストしました。サルブタモールの酸化ピークは、そのフェノール性水酸基の陽極反応によって生じます 35。サルブタモール酸化の考えられるメカニズムを図 4 に示します。図 4 に示すように、GCE、GCE/Bi2S3、GCE/rGO、GCE/PAMAM/Bi2S3、および GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 の修飾中に、シグナル (感度）が大幅に向上しました。これらの感度の変化は、修飾された電極の活性表面積が大きくなったことに起因すると考えられます。

サルブタモールの酸化メカニズム、GCE (a、a')、GCE/Bi2S3 (b、b')、GCE/PAMAM/Bi2S3 (c、c') で得られた CV (スキャン速度: 100 mV/s) および DPV 曲線2.00 × 102 nmol/L サルブタモールを含む 0.1 mol/L リン酸溶液 (pH = 5.0) 中の GCE/rGO (d, d')、GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 (f, f')。

電気化学インピーダンス分光法 (EIS) 技術は、材料の電気的特性を研究するための非破壊的な方法です。したがって、修飾された電極の界面電子輸送速度をEIS技術によって調べた。裸の GCE (a)、GCE/Bi2S3 (b)、GCE/rGO (c)、および GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 (d) のナイキストプロットを図 5 に示します。すべての実験は 5.0 mmol/L [ Fe(CN)6]3- および [Fe(CN)6]4- の 0.1 mol/L KCl 水溶液を酸化還元プローブとして使用します。ナイキストプロットでは、高周波での半円は電荷移動抵抗 (Rct) に関係しており、静電容量の挙動は低周波での線形部分を介して示されます。等価直列抵抗 (ESR) は、実軸との半円の切片です。 ESR は、電解液抵抗、活物質の固有抵抗、界面活物質と集電体の接触抵抗で構成されます。電極の修正後のナイキストプロットの半円の直径の減少は、適用されたナノ材料が電子移動速度の増加にかなりの効果を持っていることを示しています。また、修正された電極のナイキストプロットの直線部分の傾きが急になったことは、電子伝達プロセスの改善を示しています。

(a) 裸の GCE、(b) GCE/Bi2S3、(c) GCE/rGO/Bi2S3、(d) 5 mmol/L [Fe(CN)6] 存在下での GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 のナイキスト線図3/[Fe(CN)6]4 0.1 mol/L KCl 溶液。条件: Edc: + 0.230 V vs. Ag/AgCl; 各：5mV; 周波数範囲: 0.01 ～ 5 × 104 Hz。

修飾された電極の活性表面積は、Randles-Sevcik 方程式 (式 2) を使用して計算されました。

ここで、Ip はピーク電流 (A)、n は転送された電子の数、A は表面積 (cm2)、D は拡散係数 (cm2/s)、ν は電位走査速度 (mV/s)、 C は反応物の濃度 (mol/cm3) です。電極の活性表面積を調査するために、0.1 mol/L KCl 水溶液中の 5 mM [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- 溶液を使用して、ある電位で CV 実験を実行しました。スキャン速度範囲は 10 ～ 100 mV/s (図 6a ～ d)。ピーク電流と走査速度の平方根のプロットは、電極の活性表面積を測定するのに役立ちます。裸の GCE、GCE/Bi2S3、GCE/rGO/Bi2S3、および GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 の計算された活性表面積は、それぞれ 0.0464、0.0580、0.159、および 0.231 cm2 です。結果は、rGO および PAMAM/Bi2S3 ナノ材料が電極の活性表面積 (裸の GCE に対して最大 5 倍) を増加させ、その結果として感度を増加させるという顕著な効果を明らかに示しています。

(a) 裸の GCE、(b) Bi2S3/GCE、(c) GCE/rGO/Bi2S3、および (d) 5 mmol/L [Fe(CN)6]3/ 中の GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 のサイクリックボルタモグラム10〜100 mV/sの電位スキャン速度範囲での0.1 mol/L KCl水溶液中の[Fe(CN)6]4溶液、(e) 裸のGCE、および(f) 0.1 mol中のGCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 /L リン酸溶液 (pH = 5.0)、スキャン速度 10、20、30、40、50、60、および 70 mV/s で、裸の場合は 5.00 × 102 μmol/L、修飾 GCE の場合は 6.00 × 102 nmol/L のサルブタモールを含有。ピーク電位対 ln v のプロット (g) 裸の GCE、(h) GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3。 (i) GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 のピーク電流の変動とスキャンレートの平方根。

提案されたセンサーの動力学的研究は、サイクリックボルタンメトリー分析を使用して調査されました。図 6 は、rGO、PAMAM/Bi2S3、GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3、およびベア GCE (5.00 × 102 µmol/ PBS 中の L サルブタモール）をさまざまなスキャン速度で測定します。結果は、サルブタモールの酸化電流がスキャン速度の増加により直線的に増加したことを示しています。図6iに示すように、ピーク電流は走査速度の平方根に直線的に関係しており、酸化プロセスが拡散制御されていることを確認しています。また、サルブタモールの還元ピークが存在しないことは、酸化プロセスが不可逆であることを示しています。

ラビロンの方程式は、不可逆電気化学反応における Epa と v の関係を表します 36。したがって、電子伝達係数 (α) と電気化学反応の速度定数 (Ks) を計算するために使用されます (式 3)。

ここで、Epa、Ks、E0、n、ν、F、R、および T は、陽極ピーク電位、表面不均一電子移動速度定数 (s−l)、形式酸化還元電位、移動された電子数、走査速度 (V/s) です。、それぞれ、ファラデー定数 (96,485 C/mol)、ユニバーサル気体定数 (8.314 J/K/mol)、温度 (298.15 K)。 n = 1 を考慮すると、α の値は Epa 対 ln ν プロットの傾き値を使用して決定されました。プロットの切片から得られた E0 と α が式 1 に適用されました。 4 を使用して、0.05 Vs-1 での Ks 値を推定します (ΔE = Epa \(-\) E0)。

得られた Ks 値は、ベア GCE、GCE/PAMAM/Bi2S3、GCE/rGO、および GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 に対して、それぞれ 0.0099 s-1 および 0.1294 s-1、α 値は 0.0036 および 0.0.6113 でした。。結果は、電極表面を修飾することにより、サルブタモール酸化の電子伝達速度が大幅に増加することを示しています。

検量線は、DPV 解析における SAL のピーク電流 (μA) を使用して得られました。 5.00 ～ 6.00 × 102 nmol/L のさまざまな濃度の SAL を最適条件下で調べました。 ip 対 SAL 濃度のプロットは直線的です (y = 0.187x + 24.513、R2 = 0.9928) (図 7)。 GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 センサーの感度を裸の GCE と比較するために、裸の GCE を使用してサルブタモール (7.00 × 10 ～ 6.00 × 102 μmol/L) の検量線を描きました。図7に示すように、新しいナノ複合材料は電極の感度を約35倍（0.005から0.187μAμM−1cm−2）増加させた。 5 回繰り返したブランク測定の標準偏差は (0.0994) でした。したがって、検出限界 (LOD = 3sb/m) は 1.62 nmol/L であり、満足のいくものです。

(a) さまざまな濃度の SAL (5.00 ～ 6.00 × 102 nmol/L) を含む 0.10 mol/L リン酸緩衝液 (pH 5.0) 中の GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 センサーの DPV ボルタモグラム。 DPV 電流対サルブタモール濃度のプロット (b) GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 (5.00 ～ 6.00 × 102 nmol/L) および (c) GCE (7.00 × 10 ～ 6.00 × 102 μmol/L)。

サルブタモール測定に対する GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 センサーの選択性を評価するために、アスコルビン酸、尿素、グルコース、L-システイン、デンプンなどの一般的な化合物、および 2 つの薬物、ジルチアゼム、デキサメタゾンの干渉を調べました。 1:10 と 1:5 の 2 つの比率で。 1:10 (サルブタモール: L-システイン、グルコース、デンプン、ジルチアゼム、およびデキサメタゾン) および 1:5 (サルブタモール: アスコルビン酸、尿素) の存在下での実験結果には、約 5% 以下の誤差がありました。図S4に示す結果のDPV応答は、許容可能な選択性と、サルブタモール測定におけるGCE / rGO / PAMAM / Bi2S3センサーの性能に重大な干渉がないことを示しています。

再現性と再現性は、リアルタイム測定の実用性を実証する電気化学センサーの重要な機能です。生成されたセンサーの再現性は、DPV の日内 (n = 5) および日内 (n = 3) 分析によって決定されました。この研究は、2 つの異なる濃度の SAL (5.00 × 10 および 3.00 × 102 nmol/L) で実施されました。日内分析の相対標準偏差 (RSD %) は、それぞれ 2.61% と 1.52% でした。さらに、日間の測定値の RSD はそれぞれ 2.85% と 3.50% でした。これらの結果は、GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 センサーの精度が許容範囲内であり、SAL 電気化学測定に適していることを示しています。再現性を調査するために、3 つの分散修飾剤溶液を最適な値で調製し、3 つの修飾電極の電気化学的応答を 3.00 × 102 nmol/L の SAL で評価しました。 1.88% の相対標準偏差は、センサーの再現性が良好であることを示しています。センサーの長期安定性は、10 日間の時間間隔でセンサーの信号を測定し、異なる日の信号と新しい電極の信号の比を計算することによって決定されました。修飾電極は、調製後冷蔵庫に保管した。調査の結果、センサーは 10 日後でも十分に安定していることがわかりました (図 S5)。

GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 センサーの性能と可能性を特徴付けるために、飼料サンプル、牛乳、ソーセージ中のサルブタモールの検出が実行されました。動物の飼料と家禽の飼料は、Noosang et al. によって報告された手順を介して実際のサンプルとして処理されました。 37. 抽出プロセスは次のように要約されます。 1.0 g の飼料を 5.0 mL の 0.20 mol/L リン酸およびメタノール (1:4 v/v) に分配し、15 分間超音波処理し、その後 5000 rpm で 10 分間遠心分離しました。。上清を分離し、0.1 mol/L HCl 1.0 mLを加えてタンパク質を除去し、5000 rpmで10分間遠心分離した。上清を 60 °C で乾燥し、電気化学的測定の前に残渣を 3.0 mL の PBS (0.1 mol/L、pH = 5.0) に溶解しました。測定の精度を評価するために、さまざまな濃度の SAL (3.00 × 10 および 10.0 × 10 nmol/L) を実際のサンプルにスパイクし、サンプル中の SAL を測定しました。さまざまな量のサルブタモールを含む牛乳が分析されました。牛乳サンプルは、Xia Niu et al. が提示した方法によって調製されました。この目的のために; 牛乳を 0.1 mol/L リン酸溶液 (pH = 5.0) で 10 倍に希釈し、10,000 rpm で 10 分間遠心分離しました。上清を分析に使用しました38。ソーセージサンプルの調製方法は、以下の措置を講じて使用されました。１ｇの粉砕ソーセージサンプルを、３０ｍＬの０．０１ｍｏｌ／ＬＨＣｌ中に室温で一晩放置した。沈殿物を除去した後、スパイクされた一定量のサルブタモールを含む上清を電気化学分析に使用しました 39。表 1 に示すように、得られた回収率は満足のいくものであり、提案されたセンサーが実際のサンプルでのサルブタモール測定に適していることを示しています。

GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 センサーを使用した SAL 測定の分析パラメーターを、以前に報告された研究と比較しました (表 2)。提案されたセンサーは最大 2 桁の線形濃度範囲を備えており、非常に満足のいくものであり、他のセンサーよりも優れています。 LOD は、他の人が報告したものよりも低い (優れている) か、ほぼ同じです。また、当社のセンサーの精度（RSD）は他のセンサーよりも優れています。したがって、生成されたセンサーはコスト効率が高く、その潜在能力において信頼性が高くなります。さらに、許容範囲の線形範囲と高い精度を備えています。したがって、その優れた性能により SAL 測定に提案されています。

エチレンジアミン(EDA)、アクリル酸メチル、黒鉛粉末、硝酸ナトリウム、硫酸(95%)、過マンガン酸カリウム、過酸化水素(30%)、塩酸、チオアセトアミド、硝酸ビスマス(III)五水和物、硝酸、ジメチルホルムアミド(99%) )、酢酸 (99.5%)、水酸化ナトリウム (96%)、酸化アルミニウム (5 μm)、メタノール、塩化カリウム、リン酸 (85%)、ホウ酸 (99.5%)、K4[Fe(CN)6]・3H2O、K2[Fe(CN)6]はMerck社（ダルムシュタット、ドイツ）から供給されました。サルブタモールは、Darou-Pakhsh 製薬会社 (イラン、テヘラン) から供給されました。動物および家禽の飼料製品は、Tavanmehr 家畜および家禽飼料工場 (ケルマン、イラン) から購入しました。牛乳とソーセージは地元の食料品店で購入しました。

ボルタンメトリー測定は、PSTrace 4.8 ソフトウェアを備えた PalmSens3 電気化学装置 (PalmSens Instrument BV、ホーテン、オランダ) を使用して行われました。この機器には、修飾 GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 (作用電極)、Pt 電極 (対極)、および 3.0 mol/L Ag/AgCl (参照) 電極を含む 3 つの電極システムが搭載されています。ｐＨの調整は、デジタルＢｐ３００１ｐＨメーター（ＴｒａｎｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、シンガポール）によって行われた。超音波バスＲＫ－２５５－Ｈ（ＢａｎｄｅｌｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ．Ｃｏ．、ベルリン、ドイツ）を混合物の成分の分散および均質化に利用した。凍結乾燥機 LYOQUEST-85 (Telstar、スペイン) を使用して、合成された rGO を乾燥しました。合成された Bi2S3 は、真空オーブン FTVO-702 (Sci Finetech、ソウル、韓国) で乾燥されました。ナノコンポジットの形態は、電界放出型走査電子顕微鏡 (FE-SEM) (sigma VP、ZEISS、ドイツ)、EDX (Oxford Instruments plc、Tubney Woods、Abingdon、UK)、FT-IR (TENSOR 27、Brucker、ドイツ) を使用して特定されました。楽器。 Design-Expert ソフトウェアバージョン 11.0 は、実験条件の制御、応答曲面モデリング、および最適化に適用されました。

センサーの電気化学的性能を向上させるための修飾剤として、最適量の rGO、PAMAM、および Bi2S3 が使用されました。次のセクションでは、それらの合成方法について説明します。

修正ハマー法を使用して GO45 を合成しました。簡単に説明すると、1.0 gのグラファイト粉末と0.50 gのNaNO3を、氷浴上に置いた23.0 mLの95% H2SO4中で混合し、30分間撹拌した。次いで、３．０ｇのＫＭｎＯ４を徐々に添加して、大きな温度上昇を防止した。混合物を３５℃で一晩撹拌した。撹拌手順に続いて、60.0 mLのDI水を加え、混合物を再び35℃で14時間撹拌した。温度が室温の冷却レベルまで下がった後、５００ｍＬのＤＩ水を加え、続いて７．００ｍＬの３０％過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を加えた。沈殿物を分離し、１．０ｍｏｌ／ＬＨＣｌ溶液で洗浄した後、超純水で洗浄プロセスを数回続けた。最終生成物を真空下、50℃で6時間乾燥させた後、GO粉末が得られます。

還元酸化グラフェンは、Xiaoyi Yan et al.21 の報告された研究に従って合成されました。合成手順は以下の通りであった：１５ｍｇのＧＯおよび１２ｍｍｏｌ／Ｌのチオアセトアミド（ＴＡＡ）を含む３０．０ｍＬの水溶液を、４０ｍＬのテフロンで裏打ちされたステンレス鋼オートクレーブに移した。反応は160℃で8時間後に完了しました。最後に、得られたrGOを遠心分離し、超純水で洗浄し、真空凍結乾燥機で乾燥させた。

Bi2S3 は、Yang Zhao らによって提案された方法を使用して合成されました 46。この方法では、Bi(NO3)3 が TAA の存在下で音響化学的に加水分解されました。この方法を実施するために、75 mgのTAAを超音波処理により40.0 mLの蒸留水に分散させました。次に、０．２４３ｇのＢｉ（ＮＯ３）３・５Ｈ２Ｏを含有する５．００ｍＬの０．４０ｍｏｌ／ＬＨＮＯ３溶液をＴＡＡ混合物に徐々に添加し、得られた懸濁液を１時間撹拌した。次に、沈殿物を 20.0 mL の DMF に分散させ、ステンレス鋼オートクレーブに移し、150 °C で 2 時間放置しました。最後に、合成した生成物を蒸留水で数回洗浄し、60℃の真空オーブンで乾燥させました。

PAMAM デンドリマーは、Janek Peterson らによって報告された方法を使用して合成されました 47。基本的に、この手順には 2 つの連続したステップが含まれます。エステル末端 (半世代) PAMAM デンドリマーの合成と、アミノ末端 (全世代) PAMAM デンドリマーの合成です。アクリル酸メチルへの第一級アミンのマイケル付加と生成されたマルチセットのアミド化を数回繰り返して、より高い世代のPAMAM樹状分子を生成しました（図S6）。

修正前に、ガラス状カーボン電極 (GCE) は、布のパッチに担持された Al2O3 (5 μm) スラリーで研磨され、蒸留水ですすがれ、室温で乾燥されました。修飾剤を調製するために、最適化された PAMAM と Bi2S3 を超音波浴で 30 分間混合し、次に一定量の rGO を PAMAM/Bi2S3 溶液に添加し、超音波浴で 30 分間混合しました。修飾子の最適値は実験計画法を使用して得られました。次に、分散した rGO/PAMAM/Bi2S3 溶液 8 μL を GCE 表面に滴下しました。 GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 を 40 °C のオーブンで乾燥させました。比較のために、GCE/rGO と GCE/Bi2S3 も同様に作成しました。修飾された電極は電気化学測定に使用されました。

サルブタモールの電気化学的定量は、高感度の電気化学的方法として示差パルスボルタンメトリー法 (DPV) を使用して行われました。微分パルスボルタンメトリー法のさまざまなパラメーターはサルブタモール測定用に最適化されており、すべての測定は最適な条件下で実行されました。前処理として、撹拌しながら0.50 Vの電位を電極に300秒間印加した。 5 秒の平衡時間の後、+ 0.20 ～ + 1.10 V (対 Ag/AgCl) の電位範囲が適用されました。パルス振幅、パルス時間、スキャン速度はそれぞれ 0.30 V、5 ms、0.03 V/s でした。さまざまな濃度のサルブタモールを、支持電解質として 0.1 mol/L リン酸緩衝液 (pH = 5.0) に入れて用意しました。

この研究は、サルブタモールの測定におけるセンサーの製造のための新しいデンドリマーベースのナノ複合材料を提示します。センサーの構築には、rGO、PAMAM、Bi2S3 ナノマテリアルの組み合わせが使用されました。これらのパラメータ間の相互作用の影響を考慮して、センサー製造に最適なナノコンポジット成分の組成比を RSM を使用して決定しました。 RSM を使用して、これらの要因の最適条件が理論的に予測され、これは実験テストによって成功裏に承認されました。 PAMAM のデンドリマー構造によれば、センサーの活性表面積を増加させるために、ナノコンポジットの調製に PAMAM が使用されました。実験による証拠は、改良されたセンサーの活性表面積 (0.2310 cm2) が裸の GCE (0.0464 cm2) の 5 倍であることを示しています。動物や家禽の飼料中にサルブタモールなどのアゴニストが存在すると、動悸、嘔吐、頭痛、筋肉の震え、筋肉痛、神経過敏、めまい、悪寒、発熱、吐き気などの症状を伴う急性中毒を人間に引き起こす可能性があります。したがって、この薬剤を迅速、高感度、正確に測定するためのセンサーの開発は非常に重要です。このセンサーの線形範囲、RSD、LOD、感度はそれぞれ 5.00 ～ 6.00 × 102 nmol/L、2.61% と 1.52%、1.62 nmol/L、0.187 µA µM－1 cm－2 と互換性以上です。他の方法よりも。提案されたセンサーを実際のサンプル分析に適用すると、このセンサーが家畜および家禽の飼料、牛乳、およびソーセージサンプル中のサルブタモールの測定に非常に適している（非常に正確で正確）ことがわかります。肉製品サンプルの複雑さ、そしてその後のより困難な分析物の準備と抽出プロセスは、これらの実際のサンプルのセンサー応答に影響を与える可能性があります。したがって、ソーセージサンプルにおけるセンサーの性能のわずかな違いは、肉製品の複雑さに起因する可能性があります。

現在の調査中に生成および分析されたデータセットは、次のリンクから入手できます: https://drive.google.com/file/d/1h3A0r5_cU5-xDeQ4O8DjVKon-O23B48K/view?usp=share_link。

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著者らはこの記事を、ケルマン大学の創設者である故アリレザ・アフザリプールとその妻ファケレ・サバに捧げたいと思います。

ケルマーンのシャヒード・バホナー大学化学科、私書箱 76175-133、ケルマーン、イラン

マフシッド・パダシュ、シャハブ・マグソウディ、メフディ・ムーサヴィ

若手研究者協会、シャヒド・バホナール・ケルマーン大学、私書箱 76175-133、ケルマーン、イラン

マフシド・パダシュ

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実験作業は MP によって行われ、結果のレビューと原稿の執筆は著者全員によって行われました。

シャハブ・マグソウディへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Padash, M.、Maghsoudi, S. & Mousavi, M. サルブタモールの電気化学的定量のための電極ナノ材料としての硫化ビスマスナノロッドと還元酸化グラフェン上のポリアミドアミンデンドリマーの開発。 Sci Rep 13、8902 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36028-0

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受信日: 2023 年 3 月 12 日

受理日: 2023 年 5 月 27 日

公開日: 2023 年 6 月 1 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36028-0

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