Levodopa (LD), Parkinson xəstəliyinin müalicəsində dopamin çatışmazlığını kompensasiya etmək məqsədilə istifadə olunan əsas dərmanlardan biridir. Bu tədqiqatda levodopanı selektiv şəkildə aşkar etmək üçün üçkomponentli elektrokimyəvi sensor arxitekturası hazırlanmışdır: molekulyar çaplanmış PEDOT tanıma təbəqəsi, CuNi-MOF nanosheet array elektrokatalitik təbəqəsi və yüksək keçiriciliyə malik üçölçülü qrafen köpük. Tədqiqatçılar funksional monomer seçimini yalnız eksperimental sınaq-səhv üsulu ilə aparmaq əvəzinə sıxlıq funksional nəzəriyyəsi hesablamaları ilə dəstəkləmiş və EDOT-un levodopa ilə ANI və Py-dən daha uyğun qarşılıqlı təsir göstərdiyini müəyyən etmişlər. Eksperiment və hesablama nəticələrinin birlikdə qiymətləndirilməsi nəticəsində optimal LD:EDOT nisbəti 1:4 olaraq seçilmişdir.

Hazırlanmış molekulyar çaplanmış elektrod 0-60 µM levodopa intervalında xətti elektrokimyəvi cavab vermiş, sahəyə normallaşdırılmış həssaslığı 2,676 µA·µM⁻¹·cm⁻² və aşkarlama həddi 0,026 µM olaraq bildirilmişdir. Eyni elektrodla beş təkrarlı ölçmədə RSD %2,06, beş müstəqil elektrod arasında isə RSD %1,56 müəyyən edilmiş; 15 günlük saxlanmadan sonra siqnalın təxminən %96,8-i qorunmuşdur. 100 dəfə durulaşdırılmış insan serumunda standard addition üsulu ilə aparılan təcrübələrdə bərpa göstəricisi %98,5-102,6 arasında olmuşdur. Bununla belə, bu nəticələr klinik xəstə monitorinqinin təsdiqi deyil, analitik laboratoriya səviyyəsində serum matriksi sınağıdır.

Levodopanın ölçülməsi niyə vacibdir?

Levodopa qan-beyin baryerini keçərək mərkəzi sinir sistemində dopaminə çevrilə bilən prekursor molekuldur və Parkinson xəstəliyinin müalicəsinin əsas farmakoloji vasitələrindən biridir.

Dərman səviyyəsinin kifayət qədər olmaması simptomların nəzarətini zəiflədə bilər, həddindən artıq və ya uyğunsuz farmakokinetik dalğalanmalar isə motor fəsadlarla əlaqəli ola bilər. Buna görə levodopanın sürətli və etibarlı şəkildə ölçülməsi terapevtik dərman monitorinqi və farmakokinetik tədqiqatlar baxımından əhəmiyyətlidir.

Niyə Klassik Analiz Əvəzinə Elektrokimyəvi Sensor İstifadə Olunur?

Levodopa ölçmələrində yüksək performanslı maye xromatoqrafiyası kimi üsullar yüksək dəqiqlik təmin edə bilər, lakin bahalı avadanlıq, daha uzun analiz müddəti və ixtisaslı personal tələb edir.

Elektrokimyəvi sensorlar isə:

• kiçik cihazlarla işləyə bilmə,
• sürətli siqnal yaratma,
• aşağı xərc,
• yüksək həssaslıq,
• daşına bilən sistemlərə uyğunlaşdırılma

potensialına görə alternativ yanaşma təqdim edir.

Əsas çətinlik bioloji nümunələrdə levodopaya bənzər elektroaktiv molekulların eyni vaxtda mövcud olmasıdır. Buna görə yüksək həssaslıqla yanaşı yüksək molekulyar selektivlik də tələb olunur.

Molekulyar Çaplanmış Polimer Nədir?

Molekulyar çaplama, hədəf molekulun polimerin əmələ gəlməsi zamanı müvəqqəti şablon kimi istifadə edildiyi tanıma üsuludur.

Bu tədqiqatda levodopa PEDOT-un yaranması zamanı EDOT monomerləri ilə birlikdə elektropolimerləşdirilmişdir. Polimerləşmə tamamlandıqdan sonra levodopa molekulları NaOH ilə strukturdan çıxarılmışdır.

Levodopa çıxarıldıqda PEDOT təbəqəsində:

• molekulun formasına,
• funksional qruplarının yerləşməsinə,
• qarşılıqlı təsir sahələrinə

uyğun boşluqlar qalır.

Yeni bir levodopa molekulu elektrod səthinə gəldikdə bu boşluqlara üstünlüklə yenidən bağlana bilər.

PEDOT niyə seçildi?

Tədqiqatda üç keçirici polimer monomeri nəzəri olaraq qiymətləndirilmişdir:

• EDOT
• ANI
• Py

Molecular Electrostatic Potential xəritələri, HOMO-LUMO enerji fərqləri və bağlanma enerjiləri birlikdə araşdırılmışdır.

EDOT levodopa ilə daha uyğun bağlanma sahələri və güclü qarşılıqlı təsir göstərmişdir.

DFT Hesablamaları EDOT-u Necə Seçdi?

Levodopa ilə müxtəlif monomerlərin yaratdığı komplekslərin bağlanma enerjisi:

\[ \Delta E = E_{complex} - E_{template} - E_{monomer} \]

ifadəsi ilə hesablanmışdır.

LD + EDOT üçün araşdırılan konfiqurasiyalardan ən sabit olanlardan biri təxminən:

−43,205 kJ/mol

bağlanma enerjisi göstərmişdir.

Bu nəticə EDOT-un levodopa ilə sabit molekulyar çaplama ön-kompleksi yarada biləcəyini dəstəkləmişdir.

LD:EDOT nisbəti niyə 1:4-dür?

Tədqiqatçılar aşağıdakı nisbətləri hesablama və eksperimental olaraq qiymətləndirmişlər:

• 1:1
• 1:2
• 1:3
• 1:4
• 1:5

DFT hesablamalarında monomer sayı artdıqca mütləq bağlanma enerjisi ümumən yüksəlmişdir. 1:5 sistemi ən yüksək ümumi bağlanma enerjisini göstərsə də, 1:4 ilə müqayisədə əlavə hidrogen rabitəsi üstünlüyü təmin etməmişdir.

Elektrokimyəvi təcrübələrdə isə 1:4 nisbətində molekulyar çaplanmış elektrod:

• ən yüksək CV cərəyanı,
• ən kiçik charge-transfer resistance,
• ən yaxşı ümumi sensor cavabı

göstərmişdir.

Buna görə yekun sensor üçün LD:EDOT = 1:4 seçilmişdir.

CuNi-MOF Nanosheet Arrays Nə İşə Yarayır?

Metal-üzvi karkaslar metal mərkəzləri ilə üzvi liqandların üçölçülü koordinasiya strukturları yaratdığı məsaməli materiallardır.

Bu tədqiqatda Cu və Ni birlikdə istifadə olunmuşdur.

Müəlliflərin yanaşmasına görə Cu-Ni ikimetallı sistemi:

• daha çox redoks-aktiv mərkəz,
• metal-metal elektron qarşılıqlı təsiri,
• daha yaxşı interfeys elektron transferi,
• yüksək elektrokatalitik aktivlik

təmin edə bilər.

Niyə nanosheet array?

MOF-un düz nanolövhələr şəklində birbaşa 3B qrafen köpük üzərində böyüdülməsi toz halındakı materialla müqayisədə iki mühüm üstünlük verir.

Birincisi, açıq və əlçatan aktiv səth sahəsi artır.

İkincisi, nanosheet strukturların birbaşa keçirici daşıyıcı üzərində böyüməsi hissəciklərarası təmas müqavimətini azalda bilər.

SEM təsvirlərində CuNi-MOF nanosheet array-lərin 3D GF səthini homogen şəkildə örtərək açıq məsaməli struktur yaratdığı görünür.

3B Qrafen Köpük Niyə İstifadə Olundu?

3B graphene foam bir-biri ilə əlaqəli keçirici qrafen şəbəkələrindən ibarət məsaməli daşıyıcıdır.

Tədqiqatdakı təxmini məsamə diametri:

~100 µm

səviyyəsindədir.

3D GF-nin əsas vəzifəsi:

• yüksək elektrik keçiriciliyi təmin etmək,
• CuNi-MOF nanosheet-lər üçün mexaniki karkas yaratmaq,
• elektronların elektrod boyunca sürətli daşınmasını asanlaşdırmaq

kimi müəyyən edilir.

3B qrafen köpük necə istehsal edildi?

Qrafen köpük Ni foam şablonu üzərində chemical vapor deposition üsulu ilə yaradılmışdır.

Daha sonra Ni şablonu uzaqlaşdırılmış, qrafen köpük oksidləşdirici emala məruz qoyulmuş və CuNi-MOF böyüməsinə uyğun səth hazırlanmışdır.

CuNi-MOF necə böyüdüldü?

Oksidləşdirilmiş 3D GF:

• 2 mM CuCl₂·2H₂O,
• 2 mM NiCl₂·6H₂O,
• 4 mM tereftal turşusu

olan məhlula yerləşdirilmişdir.

Hidrotermal reaksiya:

125 °C, 12 saat

şəraitində aparılmışdır.

Freeze-drying prosesindən sonra CuNi-MOF NSAs/3D GF strukturu ITO şüşə üzərinə köçürülmüşdür.

Molekulyar Çaplanmış PEDOT Təbəqəsi Necə Yaradıldı?

Levodopa və EDOT PBS daxilində 1:4 molyar nisbətdə qarışdırılmışdır.

İşçi elektrod kimi CuNi-MOF NSAs/3D GF, istinad elektrodu kimi Ag/AgCl və əks elektrod kimi Pt tel istifadə olunmuşdur.

Elektropolimerləşmə:

• potensial intervalı: −0,2 ilə 0,6 V
• skan sürəti: 50 mV/s
• dövr sayı: 45

şəraitində aparılmışdır.

Daha sonra elektrod 0,1 M NaOH məhlulunda 35 dəqiqə saxlanılmış və levodopa şablonları strukturdan çıxarılmışdır.

Beləliklə, levodopa üçün molekulyar tanıma boşluqları yaradılmışdır.

NaOH və 35 Dəqiqə Niyə Seçildi?

Şablon levodopanın polimer daxilindən kifayət qədər çıxarılması sensorun selektivliyi baxımından kritik əhəmiyyət daşıyır.

Tədqiqatda müxtəlif elüsiya müddətləri müqayisə edilmiş və elektrokimyəvi siqnal təxminən 35 dəqiqə sonra plato səviyyəsinə çatmışdır.

Müxtəlif elüentlər arasında NaOH ən yüksək cərəyan dəyişməsini təmin etmişdir.

Buna görə 0,1 M NaOH və 35 dəqiqə yekun şərt kimi seçilmişdir.

pH təsiri

Levodopanın elektrokatalitik oksidləşmə siqnalının pH-dan güclü şəkildə asılı olduğu müəyyən edilmişdir.

pH 4-10 arasında aparılan təcrübələrdə ən yüksək oksidləşmə pik cərəyanı:

pH = 7

şəraitində əldə edilmişdir.

Levodopa elektrod üzərində necə oksidləşir?

Levodopa elektrokimyəvi ölçmə zamanı iki elektron itirərək dopaquinone əmələ gətirir.

Bu oksidləşmə reaksiyası zamanı yaranan cərəyan levodopa konsentrasiyasının ölçülməsində istifadə olunur.

Levodopa Üçün Ölçmə Aralığı Nədir?

DPV təcrübələrində:

0, 1, 5, 10, 20, 40 və 60 µM

levodopa konsentrasiyaları sınaqdan keçirilmişdir.

Pik cərəyanı konsentrasiya ilə güclü xətti əlaqə göstərmişdir:

\[ I_{LD} = 12.949 + 1.0C_{LD} \]

və:

R² = 0,9985

olaraq bildirilmişdir.

Sensorun Həssaslığı və Aşkarlama Həddi Nədir?

Təxminən 0,38 cm² elektrod sahəsi nəzərə alınmaqla sahəyə normallaşdırılmış həssaslıq:

2,676 µA·µM⁻¹·cm⁻²

olaraq hesablanmışdır.

Aşkarlama həddi:

0,026 µM

olaraq bildirilmişdir.

Mənbə Cədvəl 1-də eyni sensor üçün 1,026 dəyərinin göstərilməsi fərqli hesablama üsulundan qaynaqlanır: bu rəqəm AA və UA mövcudluğunda kalibrasiya əyrisinin təxmini cərəyan/konsentrasiya meylidir və sahəyə normallaşdırılmış 2,676 dəyəri ilə eyni vahidi və tərifi ifadə etmir.

Askorbin Turşusu və Sidik Turşusu Ölçməni Pozdumu?

Levodopa elektrokimyasında askorbin turşusu (AA) və sidik turşusu (UA) mühüm interferensiya mənbələridir.

Tədqiqatda:

• AA təxminən −0,05 V,
• LD təxminən 0,15 V,
• UA təxminən 0,26 V

ətrafında ayrı oksidləşmə pikləri göstərmişdir.

30 µM AA və UA mövcudluğunda levodopa siqnalı fərqləndirilə bilmiş və LD konsentrasiyası ilə cərəyan arasındakı xətti əlaqə qorunmuşdur.

Bundan əlavə, müxtəlif ümumi biomolekullar və ionlar levodopanın on qat konsentrasiyasında verilsə də sensorun LD tanıma qabiliyyətinin qorunduğu bildirilmişdir.

DFT-yə Görə Levodopa Elektrod Səthinə Necə Bağlanır?

Levodopanın PEDOT/CuNi-MOF səthinə hesablanmış adsorbsiya enerjisi:

−7,64 eV

olaraq verilmişdir.

Mənfi adsorbsiya enerjisi model daxilində adsorbsiyanın enerji baxımından əlverişli olduğunu göstərir.

Diferensial yük sıxlığı analizində elektron sıxlığının yenidən paylanması müşahidə edilmiş və müəlliflər elektron ötürülməsini ümumilikdə:

PEDOT → LD → CuNi-MOF

istiqamətində şərh etmişlər.

Bu hesablamalar mümkün interfeys elektron qarşılıqlı təsirini dəstəkləyir; birbaşa zaman ayırdetməli elektron transfer ölçməsi deyil.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Sensor istehsal zənciri

Üç materialın vəzifə bölgüsü

Elektrokimyəvi aktiv sahə

Molekulyar çaplanmış elektrodun elektrokimyəvi aktiv səth sahəsi:

1,84 cm²

olaraq hesablanmışdır.

Bu dəyər fiziki həndəsi elektrod sahəsindən fərqlidir və səth topologiyasını, həmçinin elektrokimyəvi əlçatan sahəni ifadə edir.

Charge-transfer resistance

1:4 LD/EDOT nisbətində molekulyar çaplanmış elektrod üçün bildirilmiş minimum charge-transfer resistance:

Rct = 3,5 Ω

olmuşdur.

Aşağı Rct dəyəri interfeys boyunca elektron transferinin asanlaşdığını göstərir.

Təkrarlana bilmə

Eyni elektrod 60 µM levodopa məhlulunda ardıcıl beş dəfə sınaqdan keçirilmişdir.

Oksidləşmə pikləri arasında:

RSD = %2,06

əldə edilmişdir.

İstehsal təkrarlana bilməsi

Eyni şəraitdə müstəqil hazırlanmış beş elektrod 60 µM LD ilə sınaqdan keçirilmiş və:

RSD = %1,56

müəyyən edilmişdir.

Bu nəticə müxtəlif istehsal partiyalarındakı elektrodların bir-birinə yaxın cavab verdiyini göstərir.

15 günlük sabitlik

Elektrod 15 gün ərzində hər üç gündən bir 60 µM LD ilə sınaqdan keçirilmişdir.

Cərəyan cavabındakı ümumi azalma yalnız təxminən:

%3,18

olmuşdur.

Beləliklə, 15 günün sonunda ilkin siqnalın təxminən %96,8-i qorunmuşdur.

İnsan Serumunda Sınaqdan Keçirildimi?

Bəli, lakin klinik nümunə analizi baxımından mühüm məhdudiyyət vardır.

İnsan serumu:

0,1 M PBS ilə 100 dəfə durulaşdırılmışdır.

Daha sonra standard addition üsulu ilə:

nəticələri əldə edilmişdir.

Bu Nəticə Sensorun Klinik İstifadəyə Hazır Olduğu Mənasına Gəlirmi?

Xeyr.

Tədqiqatın serum təcrübəsi analitik tətbiq oluna bilməni göstərir; lakin:

• serum 100 dəfə durulaşdırılmışdır,
• levodopa standard addition üsulu ilə əlavə edilmişdir,
• Parkinson xəstələrindən eyni vaxtda real dərman səviyyəsi müqayisəsi aparılmamışdır,
• istinad LC-MS/HPLC üsulu ilə klinik method-comparison analizi təqdim edilməmişdir,
• farmakokinetik zaman sırası izlənməmişdir.

Buna görə tədqiqat “klinik istifadə potensialı” göstərir; birbaşa klinik diaqnostika və ya terapevtik dərman monitorinqinin validasiyası deyil.

Tədqiqatın birbaşa dəstəklədiyi nəticələr

• DFT, EDOT-un levodopa üçün uyğun funksional monomerlərdən biri olduğunu dəstəkləyir.
• LD:EDOT = 1:4 nisbəti eksperimental elektrokimyəvi performans baxımından optimal müəyyən edilmişdir.
• CuNi-MOF nanosheet array-lər 3D GF üzərində uğurla böyüdülmüşdür.
• Molekulyar çaplanmış PEDOT təbəqəsi levodopa selektivliyini artırır.
• Sensor 0-60 µM intervalında xətti levodopa cavabı verir.
• Aşkarlama həddi 0,026 µM olaraq bildirilmişdir.
• AA və UA mövcudluğunda LD piki ayrılmışdır.
• Eyni elektrodla təkrar ölçmələrdə aşağı RSD əldə edilmişdir.
• 15 günlük sınaqda siqnal böyük ölçüdə qorunmuşdur.
• Durulaşdırılmış serumda %98,5-102,6 recovery əldə edilmişdir.

Tədqiqatın birbaşa dəstəkləmədiyi nəticələr

• Sensorun Parkinson xəstələrində terapevtik dərman monitorinqində klinik olaraq təsdiqləndiyi deyilə bilməz.
• 100 dəfə durulaşdırılmamış serumda eyni performansın qorunacağı göstərilməmişdir.
• Aylar və ya illər miqyasında uzunmüddətli sensor sabitliyi göstərilməmişdir.
• DFT adsorbsiya enerjisi təkbaşına real bioloji matriksdə bağlanma sabitini sübut etmir.
• Elektron transfer yolu birbaşa zaman ayırdetməli fiziki ölçmə ilə təsdiqlənməmişdir.
• Sahəyə normallaşdırılmış həssaslıq dəyəri ilə Cədvəl 1-dəki meyl dəyəri eyni fiziki göstərici kimi qiymətləndirilməməlidir.

Mənbə və Metod Qeydi

Orijinal tədqiqat: Molecularly Imprinted PEDOT/CuNi-MOFs Nanosheet Arrays/3D Graphene Foam for Highly Selective and Sensitive Electrochemical Detection of Levodopa.

Müəlliflər: Haopeng Zhang, Shuo Huang, Huaze Sun, Haiyang Li və Hongyan Yue.

Məsul müəllif: Hongyan Yue.

Qurumlar: School of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin University of Science and Technology; Department of Neurology, The First Affiliated Hospital of Harbin Medical University.

Nəşr statusu: SSRN preprint; resenziyadan keçməmişdir.

SSRN: 6889860.

Əsas sensor strukturu: Molecularly imprinted PEDOT / CuNi-MOF nanosheet arrays / 3D graphene foam.

Əsas istehsal üsulu: CVD ilə 3D GF, 125 °C-də hidrotermal CuNi-MOF böyüməsi və CV ilə PEDOT elektropolimerləşməsi.

Optimal imprint nisbəti: LD:EDOT = 1:4.

Şablonun çıxarılması: 0,1 M NaOH, 35 dəqiqə.

Xətti interval: 0-60 µM.

Sahəyə normallaşdırılmış həssaslıq: 2,676 µA·µM⁻¹·cm⁻².

LOD: 0,026 µM.

Serum recovery: %98,5-102,6; serum PBS ilə 100 dəfə durulaşdırılmışdır.

Əsas xarakterizasiya: SEM, TEM, EDS, XRD, Raman, FTIR, XPS, CV, EIS, DPV və DFT.

DFT proqram təminatları: Gaussian 16W və Materials Studio 2019 CASTEP.

Maliyyələşdirmə: Natural Science Foundation of Heilongjiang Province, Grant No. PL2025H078.

Maraqların toqquşması: Müəlliflər məlum maliyyə və ya şəxsi maraqların toqquşmasının olmadığını bəyan etmişlər.

Əsas məhdudiyyətlər: Tədqiqat preprintdir. Serum təcrübələri 100 dəfə durulaşdırılmış matriksdə aparılmışdır. Klinik xəstə kohortu və istinad laboratoriya üsulu ilə method-comparison tədqiqatı yoxdur. DFT nəticələri nəzəri adsorbsiya və qarşılıqlı təsir modelidir. Uzunmüddətli sabitlik yalnız 15 gün ərzində araşdırılmışdır.