CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste-modifizierte Elektrode zur Bestimmung von Tramadol: theoretische und experimentelle Untersuchung

Aug 12, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7999 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Zur Herstellung von CuO-Nanostrukturen zur Verwendung als Elektrokatalysator wurde eine praktische Technik angewendet. In diesem Artikel wird die grüne Synthese von Kupferoxid-Nanopartikeln (CuO-NPs) durch Kopräzipitation unter Verwendung eines wässrigen Extrakts von Origanum Majorana als Reduktionsmittel und Stabilisator beschrieben, begleitet von einer Charakterisierung mittels XRD, SEM und FTIR. Das XRD-Muster zeigte keine Verunreinigungen, wohingegen SEM schwach agglomerierte kugelförmige Partikel erkennen ließ. CuO-Nanopartikel und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) wurden verwendet, um eine modifizierte Kohlenstoffpastenelektrode herzustellen. Voltammetrische Methoden wurden zur Analyse von Tramadol unter Verwendung von CuONPs/MWCNT als Arbeitselektrode verwendet. Das hergestellte Nanokomposit zeigte eine hohe Selektivität für die Tramadol-Analyse mit Spitzenpotentialen von ~ 230 mV und ~ 700 mV und hervorragenden linearen Kalibrierungskurven für Tramadol im Bereich von 0,08 bis 500,0 µM mit einem Korrelationskoeffizienten von 0,9997 und Nachweisgrenzen von 0,025. Außerdem zeigt der CuO-NPs/MWCNT/CPE-Sensor eine nennenswerte Empfindlichkeit von 0,0773 μA/μM gegenüber Tramadol. Zum ersten Mal wurde die B3LYP/LanL2DZ-Quantenmethode zur Berechnung der DFT verwendet, um die verbundene Energie und Bandlückenenergie von Nanokompositen zu bestimmen. Schließlich erwies sich CuO NPs/CNT als wirksam beim Nachweis von Tramadol in tatsächlichen Proben, mit einer Wiederfindungsrate zwischen 96 und 104,3 %.

Tramadol ist ein synthetisches Opioid-Analgetikum, das hauptsächlich auf das Zentralnervensystem wirkt. Es funktioniert über zwei grundlegende Mechanismen: agonistische Bindung an Opioidrezeptoren und Blockierung der Wiederaufnahme von Noradrenalin und Serotonin. Die Pharmakokinetik, Wirksamkeit und Sicherheit von Tramadol haben es zu einem Erfolg bei Patienten mit mittelschweren bis starken chronischen Schmerzen gemacht, die es drei- bis viermal täglich einnehmen. Im Vergleich zur üblichen Form von Tramadol wäre Tramadol mit verlängerter Wirkstofffreisetzung, eine neu entwickelte Tablette mit veränderter Wirkstofffreisetzung, günstiger für die eintägige Wirkdauer und die geringe Varianz im Arzneimittelplasma1,2.

Tramadol ist eine Substanz, die als -Agonist wirkt. [2-(Dimethylaminomethyl)-1(3-methoxyphenyl)cyclohexanol] ist die chemische Bezeichnung. Es wird zur Behandlung der meisten Formen von Neuralgien, einschließlich Trigeminusneuralgie, sowie von mäßigen bis starken Schmerzen eingesetzt. In der Literatur wurden mehrere Analysetechniken zur Bestimmung von Tramadol und anderen Kombinationspräparaten veröffentlicht, darunter die spektrophotometrische Methode3,4 sowie spektrophotometrische und spektrofluorimetrische Ansätze5,6,7.

Die Nanotechnologie gilt heute als hochmodernes Forschungsgebiet, bei dem es um die Herstellung von Nanopartikeln unterschiedlicher Größe, Form und chemischer Struktur mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten geht8. Für die Synthese und das Design von Nanopartikeln wurden viele Verfahren beschrieben, darunter Mikrowellenbestrahlung9, Photoreduktion10, thermische Zersetzung11 und mechanisches Mahlen12. Diese Verfahren sind jedoch hauptsächlich kostspielig, energieaufwendig oder gefährlich für Mensch und Umwelt. Daher sollten umweltfreundliche Methoden umgesetzt werden. Unter grüner Synthese versteht man die Entwicklung chemischer und physikalischer Techniken, die umweltfreundlich und wirtschaftlich effektiv sind und für die Synthese im großen Maßstab ohne den Einsatz von hohem Druck, Energie, Temperatur oder schädlichen Verbindungen genutzt werden können. Die Bioreduktion von Metallionen mithilfe von Biomolekülen wie Enzymen, Bakterien und Pflanzenextrakten ist sowohl umweltfreundlich als auch chemisch anspruchsvoll13. Unter den verschiedenen grünen Synthesestrategien scheint die pflanzenvermittelte Synthese eine vielversprechende Strategie zu sein, die eine schnellere Nanopartikelproduktion und eine stabilere Synthese ermöglicht14. Die Schaffung bioinspirierter Nanopartikel hat großes Interesse gefunden, ebenso wie Ansätze zur Manipulation der Nanopartikelgröße6,15.

Origanum Majorana ist eine kältetolerante mehrjährige Pflanze oder ein Unterstrauch mit angenehmen Kiefern- und Zitrusnoten. Majoran wird in einigen Ländern des Nahen Ostens manchmal mit Oregano verwechselt, und die Begriffe süßer Majoran und gedrehter Majoran werden verwendet, um ihn von anderen Origanum-Arten zu unterscheiden. Manchmal wird er auch als Topfmajoran bezeichnet16, dieser Begriff wird jedoch auch für andere Origanum-Kulturarten verwendet. Suppen, Eintöpfe, Salatdressings, Saucen und Kräutertees profitieren alle von der Zugabe von Majoran. Süßer Majoran, auch bekannt als Origanum Majorana L. (O. Majorana, Familie Lamiaceae), ist ein bekanntes Kraut, das in der traditionellen Medizin wegen seiner heilenden Eigenschaften bei Magen-Darm-, Augen-, Herz- und neurologischen Problemen eingesetzt wird. Bedeutende bioaktive Elemente von O. Majorana wurden identifiziert und isoliert, wie flüchtige Verbindungen, Terpenoide, Phenole, Flavonoide und Tannine. Die ethnopharmakologischen Erkenntnisse dieses Krauts ergaben, dass es antibakterielle, antimykotische, antiprotozoische und antioxidative Eigenschaften hat. Die meisten Behandlungen sind zeitaufwändig, teuer und erfordern den Einsatz erfahrener Bediener und hochentwickelter Instrumente. Elektrochemische Bestimmungsansätze hingegen sind aufgrund ihrer schnellen Reaktion und Benutzerfreundlichkeit für die Bestimmung mehrerer biologischer, umweltbedingter und pharmakologischer Chemikalien vorzuziehen5,17,18. Dennoch ist die Oxidation von Tramadol mit herkömmlichen Festkörperelektroden ein langsamer Prozess, der ein größeres Überpotential erfordert. Daher ist eine einfache und empfindliche, verbesserte Elektrode für die quantitative Tramadolmessung erforderlich. In der modernen Voltammetrie sind chemisch modifizierte Elektroden zu einem heißen Thema geworden. Die beabsichtigte Analytmessung wird durch den Einsatz dieser Elektroden spezifischer und empfindlicher. Nanostrukturierte Materialien wurden in den letzten Jahrzehnten zur Veränderung von Elektrodenoberflächen eingesetzt, um die Empfindlichkeit elektrochemischer Sensoren zu verbessern19. Nanopartikel können zur Modifizierung von Elektroden verwendet werden, was den Nachweis von Spurenmengen von Analyten ermöglicht, indem die Empfindlichkeit und Stabilität der Sensoren verbessert wird20. Metallnanomaterialien, darunter Übergangsmetalle (Co/Ni/Cu) und ihre Oxide21, haben in den vergangenen Jahren aufgrund ihrer verschiedenen Vorteile wie ausgezeichneter elektrokatalytischer Effizienz, Langzeitstabilität, relativer Kostengünstigkeit und einfacher Herstellung und Konstruktion große Aufmerksamkeit auf sich gezogen von nicht-enzymatischen elektrochemischen Sensoren22, wobei Kupferoxid-Nanopartikel eine günstige elektrokatalytische Aktivität und elektrische Leitfähigkeit aufweisen, was sie zu einem hervorragenden nicht-enzymatischen elektrochemischen Sensorbestandteil macht23,24.

Der Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren in Sensoren und Biosensoren hat in letzter Zeit großes Interesse gefunden. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen eindimensionalen physikalischen und elektrischen Fähigkeiten werden mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) in großem Umfang in der elektroanalytischen Chemie eingesetzt25,26.

In dieser Studie verwenden wir den Co-Präzipitationsansatz, um CuO-NPs herzustellen. Darüber hinaus wurden MWCNTs zur Modifizierung einer Kohlenstoffpastenelektrode eingesetzt. Die aktuelle Studie stellt einen elektrochemischen Tramadol-Sensor auf CuONPs/MWCNTs-Basis vor, der sowohl selektiv als auch empfindlich ist. Schließlich wurden mit dieser modifizierten Elektrode reale Proben von Tramadol und Paracetamol analysiert. Daher stellt die aktuelle Studie einen elektrochemischen Tramadol-Sensor auf CuONPs/MWCNTs-Basis vor, der sowohl selektiv als auch empfindlich ist.

Alle in dieser Studie verwendeten Verbindungen waren analysenrein und wurden unverändert und ohne zusätzliche Reinigung verwendet. Für diese Arbeit wurden mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) sowie Kupfernitrat (Cu(NO3)2,5H2O) von Merck in Deutschland erworben. Darüber hinaus wurde in allen Tests zweifach destilliertes Wasser (DW) verwendet. Für jedes elektrochemische Experiment wurde ein Metrohm 797 verwendet. In einer elektrochemischen 10-ml-Zelle mit einem Kompartiment verwendete SPE (DropSens; DRP-110) drei Standardelektroden: Aktivelektroden aus Kohlenstoff (4 mm Durchmesser), eine Gegenelektrode aus Graphit und eine Pseudoreferenzelektrode aus Silber.

Die Pflanzenart Origanum Majorana wurde aus dem Vorort Kerman bezogen und von einem biosystematischen Pflanzenspezialisten validiert. Eine Person vom Herbarium-Zentrum der Medizinischen Universität Kerman half uns beim Sammeln und Identifizieren des Origanum Majorana.

Origanum Majorana ist ein kälteempfindliches mehrjähriges Kraut oder Unterstrauch mit süßen Kiefern- und Zitrusaromen. In einigen Ländern des Nahen Ostens ist Majoran ein Synonym für Oregano, und dort werden die Namen süßer Majoran und geknoteter Majoran verwendet, um ihn von anderen Pflanzen der Gattung Origanum zu unterscheiden. Man nennt ihn auch Majoran, obwohl dieser Name auch für andere kultivierte Origanum-Arten verwendet wird. Majoran wird seit langem als Heilkraut verwendet. Majoran oder Majoranöl wird zur Behandlung von Krebs, Erkältungen, Husten, Krämpfen, Depressionen, als Diuretikum, Ohrenentzündungen, Magen-Darm-Problemen, Kopfschmerzen und Lähmungen sowie Arthritis, verstopfter Brust und Muskelschmerzen eingesetzt. Es wurde auch als Aphrodisiakum, Mundwasser, Tee sowie in Umschlägen, Tinkturen und Aufgüssen verwendet. Obwohl nicht alle historischen Verwendungszwecke wissenschaftlich belegt sind, hat die Pflanze einen nachweisbaren medizinischen Nutzen. Es enthält beispielsweise das Phenol Carvacrol, das antibakteriell, antimykotisch und antimikrobiell wirkt. Ethanolextrakt ist zytotoxisch gegen Fibrosarkom-Zelllinien, Ethylacetatextrakt hat antiproliferative Eigenschaften gegen C6- und HeLa-Zellen, ebenso wie Hesperetin und Hydrochinon, die aus Majoranextrakt isoliert werden können. Kardioprotektive, hepatoprotektive, antiulzerogenetische, cholinesterasehemmende, Anti-PCOS- und entzündungshemmende Wirkungen wurden auch in getrocknetem Majoran, Majoran-Tee oder in aus Majoran extrahierten Verbindungen festgestellt. Majoran ist im Allgemeinen nicht giftig, sollte jedoch nicht von schwangeren oder stillenden Frauen verwendet werden. Bei der Verwendung von Heilkräutern ist jedoch stets Vorsicht geboten und der Arzt konsultiert27.

Abbildung 1 zeigt das Origanum-majorana-Bild. Um den wasserbasierten Extrakt herzustellen, wurden O.-majorana-Blätter zunächst mit Trinkwasser gewaschen, um alle anhaftenden Staubpartikel zu entfernen, dann in sehr kleine Stücke gehackt und in der Sonne getrocknet. Nach dem Erhitzen von 100 ml destilliertem Wasser auf 100 °C wurden 20 g getrocknetes O.-majorana-Blattpulver hinzugefügt und 10 Minuten lang inkubiert. Daher konnte der mitgelieferte Blattextrakt auf Umgebungstemperatur abkühlen, bevor er mit Whatman-Filterpapier filtriert wurde. 1 mmol Cu(NO3)02 wurde in destilliertem Wasser zu einer transparenten Lösung verdünnt, um die CuO-Nanopartikel herzustellen. Danach wurde der Mischung eine kleine Menge O.-majorana-Extrakt zugesetzt und 30 Minuten lang bei 80 °C schnell gerührt. Die resultierenden Produkte wurden nach der Filtration 2 Stunden lang bei 80 °C unter Vakuum getrocknet und dann 3 Stunden lang bei 600 °C kalziniert.

Das Origanum-majorana-Bild.

Für die elektrochemischen Experimente wurde ein Autolab-Potentiostat/Galvanostat verwendet, und die Software des General-Purpose Electrochemical System (GPES) regelt die experimentellen Einstellungen. Bei 25 ± 1 °C wurde eine Standardzelle mit drei Elektroden eingesetzt. Die Referenz-, Hilfs- und Arbeitselektroden waren eine Ag/AgCl/KCl-Elektrode (3,0 M), ein Platindraht und CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste. Zur Bestimmung des pH-Wertes wurde ein pH-Meter Metrohm 710 verwendet. Über Orthophosphorsäure und ihre Salze wurden Pufferlösungen mit einem pH-Bereich von 2,0–9,0 hergestellt. Als nächstes wurde CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste hergestellt, indem 0,01 g MWCNT mit 0,95 g Graphitpulver und 0,04 g CuO-Nanopartikeln in einem Mörser und Stößel von Hand kombiniert wurden. Die oben genannte Mischung wurde dann 20 Minuten lang mit 0,7 ml Paraffinöl vermischt, bis eine gleichmäßig befeuchtete Paste entstand. Danach wurde die Paste in das Ende eines Glasrohrs (ca. 3,4 mm Innendurchmesser und 15 cm Länge) gestopft und ein Kupferdraht in die Kohlenstoffpaste implantiert, um die elektrische Verbindung herzustellen.

Eine Reihe von Technologien zur Charakterisierung der synthetisierten Proben, einschließlich Röntgenbeugungsmustern (XRD). Das FTIR-Alpha-Modell von Bruker wird zur Aufzeichnung von Fourier-Transformations-Infrarotspektren verwendet. Darüber hinaus wurde Rasterelektronenmikroskopie eingesetzt, um die Morphologien der erzeugten NPs zu untersuchen. Das Vasco-Modell des Nanosizer Cordouan zur Bestimmung der Partikelgröße und des Zetapotentials (Frankreich). Zur pH-Messung wurde ein Labor-pH-Meter Metrohm 827 eingesetzt.

Schüler-T-Tests und Varianzanalyse zur Bestimmung der Gruppensignifikanz. Alle Daten werden als Mittelwert ± SD angegeben. Statistische Signifikanz definiert als Wahrscheinlichkeitsschwelle von p = 0,05.

Die Adsorptionsenergie (Ead) für Tramadol auf MWNT wurde mithilfe von DFT-Berechnungen mit der Guassian 03-Software berechnet. DFT-Berechnungen wurden ausschließlich mit 6–311 + (d) durchgeführt, um Rechenschwierigkeiten und den Bedarf an immensem Rechenpotenzial zu minimieren. Alle gebauten Gebäude wurden zunächst geometrisch optimiert. Die älteren Strukturen veränderten sich dann mithilfe der geometrisch optimierten Atompositionen und es wurden Algorithmen ausgeführt, um die SCF-Energien zu bestimmen, bevor Ead schließlich berechnet wurde.

Diese Studie wurde unter Einhaltung ethischer Standards durchgeführt und umfasste keine menschlichen Teilnehmer, Tiere und potenzielle Interessenkonflikte.

Abbildung 2A zeigt das XRD-Muster der hergestellten CuO-Nanoplättchen. Es wurde berechnet, dass die Beugungspeaks der erzeugten CuO-Nanopartikel bei 2θ-Werten von 32,34° (110), 35,36° (−111), 38,56° (111), 48,57° (−202), 53,39° (020), 58,14° ( 202), 61,40° (−113), 66,17° (−311), 67,98° (220), 72,48° (311) und 75,02° (004), was durch CuO (JCPDS 80-1916) bestätigt wird und die Bildung von anzeigt CuO-Nanostrukturen28. Die Kristallitgröße von CuO-Nanopartikeln wurde unter Verwendung der Deby-Scherer-Gleichung29 zu 38,2 nm bestimmt. Die synthetisierten Nanostrukturen waren rein und es wurden keine Verunreinigungen festgestellt.

(A) XRD-Muster und (B) FTIR-Spektren synthetisierter CuO-Nanostrukturen.

Abbildung 2B zeigt das FTIR-Spektrum der synthetisierten Kupferoxid-NPs. Wie man sieht, besteht das Spektrum des CuO aus drei Bereichen. Im ersten Bereich zeigten die Peaks von 500 bis 800 cm−1 eine stärkere Absorptionsbande im Zusammenhang mit der Streckschwingung der Cu-O-Schwingungen, was die Synthese von CuO-Nanopartikeln bestätigt30. Im zweiten Bereich (1350 cm−1 bis 1650 cm−1) können wir jedoch Spitzenwerte beobachten, die auf das Vorhandensein von CO2 in der Luft zurückzuführen sind. Der dritte Bereich schließlich liegt zwischen 2800 und 3500 cm−1. Daher konnte gefolgert werden, dass das hydratisierte CuO und H2O in der Luft zur Peakbildung beitragen. Daher stellen die synthetisierten CuO-NPs laut FTIR-Spektren eine reine und monolithische Phase dar.

Abbildung 3A, B zeigt die SEM-Bilder von CuO-Nanopartikeln. Wie in Abb. 3 dargestellt, waren die Nanopartikel gleichmäßig groß und kugelförmig. Die Größe der Partikel wird auf etwa 52 nm geschätzt. Es wurde festgestellt, dass die biologische Synthese von CuO-NPs relativ kleine quasi-kugelförmige Partikel mit homogenen Abmessungen erzeugt. Die Verwendung biologischer Komponenten im Syntheseprozess könnte die leichte Agglomeration in den so synthetisierten Nanopartikeln beschreiben. Die aus Blattextrakt synthetisierten CuO-NPs hatten eine Kugelform, was mit früheren Erkenntnissen übereinstimmt31.

REM-Bilder synthetisierter CuO-Nanostrukturen.

Abbildung 4A, B beschimpft SEM von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren. Die REM-Bilder zeigen die strukturelle Integrität der CNTs, die sehr hohe MWCNT-Konzentrationen aufweisen.

REM-Bilder gebrauchter MWCNTs.

Elektrochemischer Sensor für CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste, untersucht in 0,1 M PBS (pH 7,0). Abbildung 5 zeigt zyklische Voltammogramme für CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste von Tramadol; Einschübe zeigen die lineare Beziehung des anodischen Spitzenstroms zur Quadratwurzel der Abtastrate (v1/2).

Zyklische Voltammogramme von (a) CuONPs/MWCNTs/CPE, (b) MWCNTs/Kohlenstoffpaste, (c) CuONPs/Kohlenstoffpasten-Elektrode und (d) unmodifizierter Kohlenstoffpasten-Elektrode in Gegenwart von 400,0 μM Tramadol bei einem pH-Wert von 7,0 0,1 M PBS.

Für CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste in einer wässrigen Lösung zeigen die Testergebnisse anodische und kathodische Peaks, die gut definiert und wiederholbar sind und eine quasi-reversible Aktivität aufweisen. Auch die Langzeitstabilität der CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste wurde über einen Zeitraum von drei Wochen untersucht. Sobald die Referenzelektrode bei 20–22 °C gehalten wurde, blieb die maximale Wirksamkeit für die Tramadol-Oxidation identisch. Allerdings gingen die aktuellen Signale im Vergleich zur ersten Rückmeldung um b2,4 Prozent zurück. Die Antifouling-Eigenschaften der verbesserten Elektrode gegen die Oxidation von Tramadol und seinen Oxidationsmetaboliten wurden untersucht, um die CVs der modifizierten Elektrode vor und nach der Anwendung von Tramadol im Unternehmen zu bewerten. CVs, die nach 15-maligem Durchlaufen des Potenzials bei einer Abtastrate von 10 mV s−1 in Gegenwart von Tramadol erhalten wurden. Die Spitzenpotentiale blieben konstant, während die Ströme um b2,4 Prozent sanken. Dadurch stieg nicht nur die Empfindlichkeit des Analyten und seines Oxidationsprodukts an der Oberfläche von CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste, sondern auch die Verschmutzungswirkung verringerte sich.

Der pH-Wert der wässrigen Lösung beeinflusst das elektrochemische Verhalten von Tramadol. Daher scheint für die elektrokatalytische Oxidation von Tramadol eine pH-Anpassung der Lösung erforderlich zu sein. Mittels CV wurde die elektrochemische Aktivität von Tramadol an der Oberfläche von CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste in 0,1 M PBS bei verschiedenen pH-Werten (2,0 b pH b 9,0) untersucht. Unter neutralen Bedingungen erwies sich die elektrokatalytische Oxidation von Tramadol an der Oberfläche von CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste als günstiger als in einem sauren oder basischen Medium. In den CVs von CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste äußert sich dies in einem fortschreitenden Anstieg des anodischen Spitzenstroms und einem parallelen Abfall des kathodischen Spitzenstroms. Somit wurde festgestellt, dass der optimale pH-Wert für die Elektrokatalyse der Tramadoloxidation an der Oberfläche von CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste 7,0 beträgt. Schema 1 zeigt den vermuteten Mechanismus der Oxidation von Tramadol.

Wahrscheinlicher Oxidationsmechanismus für Tramadol an CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste.

Um das Verhalten von Tramadol und auch die Reaktion der Elektroden auf die Bestimmung von Tramadol zu untersuchen, wurde die Leistung von CuONPs/MWCNTs/CPE mit der von MWCNTs/CPE, CuONPs/CPE und unmodifiziertem CPE verglichen. Abbildung 5 zeigt die CV-Kurven, die für CuONPs/MWCNTs/CPE (Kurven a), MWCNTs/CPE (Kurven b), CuONPs/CPE (Kurven c) und unmodifiziertes CPE (Kurven d) in Gegenwart von 400,0 μM Tramadol-haltigem 0,1 M erhalten wurden PBS mit einer Scanrate von 50 mV/s.

Die anodischen Spitzenpotentiale für die Tramadoloxidation bei CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste und unmodifiziertem CPE betragen 875 und 915 mV, wohingegen das äquivalente Potenzial bei CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste 655 mV beträgt. Diese Ergebnisse zeigen, dass sich der Maximalwert für die Tramadoloxidation an den CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpasten-Elektroden im Vergleich zu CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste und unmodifiziertem CPE um 220 und 260 mV in Richtung negativer Werte verschiebt. CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste hingegen weist einen wesentlich größeren anodischen Spitzenstrom für die Tramadoloxidation auf als CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste.

Die linearen Sweep-Voltammogramm-Messungen wurden durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Spitzenstrom und Scan-Rate bei unterschiedlichen Scan-Raten (10–400 mV/s) in 400,0 μM Tramadol enthaltendem 0,1 M PBS (pH 7,0) auf den CuONPs/MWCNTs/ zu bewerten. CPE (Abb. 6). Wie in Abb. 6 dargestellt, wachsen die Spitzenströme von Tramadol mit steigenden Scan-Raten und es bestehen gute lineare Beziehungen zwischen den Spitzenströmen (Ip) und der Quadratwurzel der Scan-Rate (ν1/2). Die Ergebnisse zeigten auch, dass es sich bei der Wirkung um einen Massentransfer von Tramadol handelt, der durch den Diffusionsprozess gesteuert wird.

Lineare Sweep-Voltammogramme von Tramadol (400,0 μM) bei CuONPs/MWCNTs/CPE bei verschiedenen Scanraten von 1, 2, 3, 4, 5 und 6 mV/s in 0,1 M PBS (pH 7,0). Einfügung: Auftragung von Ip gegen ν1/2 für die Oxidation von Tramadol bei CuONPs/MWCNTs/CPE.

Für die verschiedenen Dosierungen von Tramadol in 0,1 MPBS (pH 7,0) wurden chromatoamperometrische Messungen von Tramadol bei CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste durchgeführt, indem das Arbeitselektrodenpotential auf 0,70 V (bei der ersten Potentialstufe) und 0,40 V (bei der zweiten) eingestellt wurde potentieller Schritt) (Abb. 7). Mithilfe chronoamperometrischer Untersuchungen haben wir den Diffusionskoeffizienten D von Tramadol in Pufferlösung bestimmt.

Chronoamperogramme, erhalten an den CuONPs/MWCNTs/CPE in Gegenwart von (1) 3,0, (2) 6,0, (3) 9,0 und (4) 1,0 mM Tramadol in der 0,1 M Pufferlösung (pH 7,0). (A) Auftragung von I gegen t-1/2 für die Elektrooxidation von Tramadol, erhalten aus den Chronoamperomen 1–4. (B) Diagramm der Steigung der geraden Linien im Vergleich zum Tramadolspiegel.

Für ein elektroaktives Arzneimittel (in diesem Fall Tramadol) mit einem Diffusionskoeffizienten von D beschreibt die Cottrell-Gleichung den Strom, der für den elektrochemischen Prozess unterhalb des begrenzten Massentransportzustands beobachtet wird.

Die besten Anpassungen für unterschiedliche Tramadol-Dosen wurden mithilfe experimenteller Diagramme von I vs. t − 1/2 gefunden. Die Steigungen der geraden Linien wurden über dem Tramadolspiegel aufgetragen. Die durchschnittliche Rate von D betrug unter Verwendung der resultierenden Steigung und der Cottrell-Gleichung 6,85 × 10−6 cm2/s.

Die Tramadolkonzentration wurde mithilfe der Square-Wave-Voltammetrie-Technik (SWV) bestimmt (Abb. 8). Zwei lineare Segmente mit Steigungen von 0,7441 und 0,1378 μA μM – bildeten die Darstellung des Spitzenstroms gegenüber der Tramadol-Dosierung. Die kinetische Einschränkung ist höchstwahrscheinlich für die Verringerung der Empfindlichkeit des zweiten linearen Segments verantwortlich. Die Nachweisgrenze für Tramadol (3σ) lag bei 25 ± 2 nM. Diese Zahl ist vergleichbar mit Tramadol-Bestimmungen an der Außenseite chemisch veränderter Elektroden, die von ähnlichen Forschungsgruppen veröffentlicht wurden.

SWV-Kurven von CuONPs/MWCNTs/CPE in der 0,1 M Pufferlösung (pH 7,0), die unterschiedliche Konzentrationen von Tramadol enthält. Einschub: Diagramme des elektrokatalytischen Spitzenstroms als Funktion der Tramadolkonzentration.

Daher zeigt Tabelle 1, dass die CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste mit anderen Sensoren bei der Bestimmung von Tramadol konkurrieren kann.

Abbildung 8 zeigt SWVs für CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste in 4 mmol L−1 Tramadol bei verschiedenen pH-Werten (pH 5,5, 7, 8,5, 10) (d bis a).

Die Stabilität der CuONPs/MWCNTs/CPE wurde durch Lagerung der Elektrode im Labor bei Raumtemperatur untersucht. Anschließend wurde die Elektrode zur Analyse von 50 μM Tramadol in Abständen von 1 bis 21 Tagen in 0,1 M PBS (pH 7,0) verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass das Elektrodensignal nach 7 Tagen noch 92 % seines Anfangswertes und nach 21 Tagen 90 % seines Anfangswertes beibehielt. Diese Ergebnisse zeigten, dass der vorgeschlagene elektrochemische Sensor eine ausgezeichnete Langzeitstabilität aufwies.

Die Adsorptionsenergie (Ead) für Tramadol auf MWNT wurde mithilfe von DFT-Berechnungen mit der Software Guassian 0336 berechnet. Der für die Tramadoladsorption am MWNT berechnete Ead-Wert betrug 5,06 × 10–19 kcal bzw. 4,94 × 10–19 kcal am und inter des MWNT. Abhängig von den verwendeten DFT-Eingabeparametern können die Ead-Werte jedoch stark variieren, und die Ead-Werte können auch für verschiedene Posen eines Adsorptionsmittels für ein bestimmtes Adsorptionsmittel schwanken37. Das Ead-Zeichen wird häufig verwendet, um zu bestimmen, ob ein Adsorptionsprozess exotherm oder endotherm ist. Ein negatives Vorzeichen in der Formel zur Berechnung von Ead weist auf eine endotherme Reaktion hin. Somit deuten die DFT-Rechnungen, die mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen, auch auf den endothermen Charakter des Adsorptionsmechanismus hin (genauer gesagt deuten die DFT-Rechnungen auf den endothermen Charakter der Tramadol-Adsorption am MWNT hin). Abbildung 9 zeigt verschiedene Ansichten von Tramadol auf und zwischen MWNT und Abb. 10 zeigt verschiedene Ansichten von Tramadol auf und zwischen MWNT.

Unterschiedliche Sicht auf Tramadol auf und zwischen MWNT.

Unterschiedliche Sicht auf Tramadol auf und zwischen MWNT.

In dieser Studie wurde die Verwendung von Origanum Majorana als alkalisches Mittel bei der grünen Herstellung von CuO-Nanostrukturen beschrieben. Eines der innovativen Materialien, die für die Tramadol-Bestimmung eingesetzt wurden, war eine mit CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste modifizierte Elektrode. CuONPs/MWCNTs-Nanokomposit verbesserte Selektivität der Tramadol-Oxidation und elektrochemische Aktivität. Die lineare Kalibrierungskurve in Bereichen zwischen 0,07 und 300 µM mit einem LOD von 0,01 µM für MO wurde unter optimalen Bedingungen erstellt. Schließlich wurde die modifizierte Elektrode im Wesentlichen für die Tramadol-Analyse in den realen Proben verwendet. Die vorgeschlagene Methode bietet einen empfindlichen Ansatz zum Nachweis von Tramadol in Arzneimittel- und biologischen Formulierungen. Darüber hinaus kann diese modifizierte Elektrode zur Identifizierung von Tramadol in menschlichem Plasma und Urin sowie in Arzneimittelproben verwendet werden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken dem Neuroscience Research Center, Institute of Neuropharmacology, Kerman University of Medical Science für ihre unermüdlichen Bemühungen, diese Forschung durch Zuschuss Nr. 1 finanziell zu unterstützen. (400000415).

Fachbereich Chemie, Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Jiroft, Jiroft, Iran

Razieh Razavi

Neurowissenschaftliches Forschungszentrum, Institut für Neuropharmakologie, Kerman University of Medical Science, Kerman, Iran

Mahnaz Amiri & Kouros Divsalar

Abteilung für Medizinische Chemie, Fakultät für Pharmazie, Forschungszentrum für Arzneimitteldesign und -entwicklung, Institut für Pharmazeutische Wissenschaften (TIPS), Medizinische Universität Teheran, Teheran, Iran

Alireza Forumadi

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Alle Autoren verfassten den Haupttext des Manuskripts, führten das Experiment durch und analysierten die Daten und Ergebnisse.

Korrespondenz mit Mahnaz Amiri.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Razavi, R., Amiri, M., Divsalar, K. et al. CuONPs/MWCNTs/Kohlenstoffpaste-modifizierte Elektrode zur Bestimmung von Tramadol: theoretische und experimentelle Untersuchung. Sci Rep 13, 7999 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34569-y

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Eingegangen: 08. November 2022

Angenommen: 03. Mai 2023

Veröffentlicht: 17. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34569-y

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