Levodopa (LD) ni mojawapo ya dawa kuu zinazotumiwa kutibu ugonjwa wa Parkinson kwa lengo la kufidia upungufu wa dopamini. Katika utafiti huu, usanifu wa sensa ya kielektrokemia yenye vipengele vitatu ulitengenezwa ili kutambua levodopa kwa uteuzi: safu ya utambuzi ya PEDOT iliyochapishwa kimolekuli, safu ya elektrokataliti ya CuNi-MOF nanosheet array, na povu la grafeni la pande tatu lenye upitishaji mkubwa. Badala ya kuchagua monoma ya kazi kwa majaribio ya kujaribu na kukosea pekee, watafiti waliunga mkono uchaguzi huo kwa hesabu za nadharia ya utendakazi wa msongamano na kubaini kuwa EDOT ina mwingiliano unaofaa zaidi na levodopa kuliko ANI na Py. Kwa kutathmini kwa pamoja matokeo ya majaribio na hesabu, uwiano bora wa LD:EDOT ulichaguliwa kuwa 1:4.

Elektrodi iliyochapishwa kimolekuli iliyotengenezwa ilitoa mwitikio wa kielektrokemia wa mstari katika kiwango cha 0-60 µM levodopa, huku unyeti uliorekebishwa kwa eneo ukiripotiwa kuwa 2,676 µA·µM⁻¹·cm⁻² na kikomo cha utambuzi kuwa 0,026 µM. Katika vipimo vitano vilivyorudiwa kwa elektrodi hiyo hiyo, RSD ilikuwa %2,06, na kati ya elektrodi tano huru RSD ilikuwa %1,56; baada ya siku 15 za kuhifadhi, takribani %96,8 ya ishara ilibaki. Katika majaribio ya serum ya binadamu iliyopunguzwa mara 100 kwa kutumia mbinu ya standard addition, recovery ilikuwa kati ya %98,5-102,6. Hata hivyo, matokeo haya si uthibitisho wa ufuatiliaji wa wagonjwa wa kliniki, bali ni jaribio la matriksi ya serum katika kiwango cha maabara ya uchanganuzi.

Kwa nini kupima levodopa ni muhimu?

Levodopa ni molekuli tangulizi inayoweza kuvuka kizuizi cha damu-ubongo na kubadilishwa kuwa dopamini katika mfumo mkuu wa neva, na ni mojawapo ya zana kuu za kifamasia katika matibabu ya ugonjwa wa Parkinson.

Kiwango kisichotosha cha dawa kinaweza kupunguza udhibiti wa dalili, ilhali mabadiliko makubwa au yasiyofaa ya kifamakokinetiki yanaweza kuhusishwa na matatizo ya mwendo. Kwa hiyo, kupima levodopa kwa haraka na kwa kutegemewa ni muhimu kwa ufuatiliaji wa dawa za tiba na tafiti za kifamakokinetiki.

Kwa Nini Sensa ya Kielektrokemia Inatumika Badala ya Uchambuzi wa Kawaida?

Katika upimaji wa levodopa, mbinu kama kromatografia ya kioevu yenye utendaji wa juu zinaweza kutoa usahihi mkubwa, lakini zinahitaji vifaa vya gharama kubwa, muda mrefu zaidi wa uchambuzi na wafanyakazi wenye utaalamu.

Sensa za kielektrokemia, kwa upande mwingine, hutoa mbinu mbadala kutokana na uwezo wa:

• kufanya kazi na vifaa vidogo,
• kutoa ishara kwa haraka,
• gharama ya chini,
• unyeti mkubwa,
• kubadilishwa kwa mifumo inayobebeka

.

Changamoto kuu ni kuwepo kwa wakati mmoja kwa molekuli za kielektroaktif zinazofanana na levodopa katika sampuli za kibayolojia. Kwa hiyo, pamoja na unyeti mkubwa, uteuzi wa kimolekuli wa juu pia unahitajika.

Polima Iliyotengenezwa kwa Uchapishaji wa Molekuli ni Nini?

Uchapishaji wa molekuli ni mbinu ya utambuzi ambapo molekuli lengwa hutumiwa kama kiolezo cha muda wakati wa kutengenezwa kwa polima.

Katika utafiti huu, levodopa ilielektropolimerishwa pamoja na monoma za EDOT wakati PEDOT ikitengenezwa. Baada ya polimerisasi kukamilika, molekuli za levodopa ziliondolewa kwenye muundo kwa kutumia NaOH.

Levodopa inapoondolewa, katika safu ya PEDOT hubaki nafasi zinazolingana na:

• umbo la molekuli,
• mpangilio wa vikundi vyake vya kazi,
• maeneo ya mwingiliano

.

Molekuli mpya ya levodopa inapofika kwenye uso wa elektrodi inaweza kujifunga tena kwa upendeleo katika nafasi hizi.

Kwa nini PEDOT ilichaguliwa?

Katika utafiti, monoma tatu za polima zinazopitisha umeme zilitathminiwa kinadharia:

• EDOT
• ANI
• Py

Ramani za Molecular Electrostatic Potential, tofauti za nishati za HOMO-LUMO na nishati za kufungamana zilichunguzwa kwa pamoja.

EDOT ilionyesha maeneo yanayofaa zaidi ya kufungamana na mwingiliano wenye nguvu zaidi na levodopa.

Hesabu za DFT Zilichaguaje EDOT?

Nishati ya kufungamana ya kompleks za levodopa na monoma tofauti ilihesabiwa kwa usemi:

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

.

Mojawapo ya usanidi thabiti zaidi uliochunguzwa kwa LD + EDOT ulionyesha takribani:

−43,205 kJ/mol

ya nishati ya kufungamana.

Matokeo haya yaliunga mkono uwezekano kwamba EDOT inaweza kuunda pre-complex thabiti ya uchapishaji wa molekuli na levodopa.

Kwa nini uwiano wa LD:EDOT ni 1:4?

Watafiti walitathmini kwa hesabu na majaribio uwiano ufuatao:

• 1:1
• 1:2
• 1:3
• 1:4
• 1:5

Katika hesabu za DFT, nishati kamili ya kufungamana kwa ujumla iliongezeka kadiri idadi ya monoma ilivyoongezeka. Ingawa mfumo wa 1:5 ulionyesha nishati ya juu zaidi ya jumla ya kufungamana, haukutoa faida ya ziada ya kifungo cha hidrojeni ikilinganishwa na 1:4.

Katika majaribio ya kielektrokemia, elektrodi iliyochapishwa kimolekuli yenye uwiano wa 1:4 ilionyesha:

• mkondo wa juu zaidi wa CV,
• charge-transfer resistance ndogo zaidi,
• mwitikio bora zaidi wa jumla wa sensa

.

Kwa hiyo, LD:EDOT = 1:4 ilichaguliwa kwa sensa ya mwisho.

CuNi-MOF Nanosheet Arrays Zinafanya Kazi Gani?

Miundo ya metali-organiki ni nyenzo zenye vinyweleo ambapo vituo vya metali na ligandi za kikaboni huunda miundo ya uratibu ya pande tatu.

Katika utafiti huu Cu na Ni zilitumiwa pamoja.

Kulingana na mtazamo wa waandishi, mfumo wa metali mbili wa Cu-Ni unaweza kutoa:

• vituo vingi zaidi vya redoksi vilivyo hai,
• mwingiliano wa kielektroni kati ya metali,
• uhamisho bora wa elektroni katika kiolesura,
• shughuli kubwa ya elektrokataliti

.

Kwa nini nanosheet array?

Kukuza MOF moja kwa moja juu ya povu la grafeni la 3B katika umbo la nanolaha tambarare hutoa faida mbili muhimu ikilinganishwa na nyenzo ya unga.

Kwanza, eneo la uso hai lililo wazi na kufikika huongezeka.

Pili, ukuaji wa miundo ya nanosheet moja kwa moja kwenye kibeba kinachopitisha umeme unaweza kupunguza upinzani wa mgusano kati ya chembe.

Katika picha za SEM, CuNi-MOF nanosheet array zinaonekana kufunika uso wa 3D GF kwa usawa na kuunda muundo wenye vinyweleo vilivyo wazi.

Kwa Nini Povu la Grafeni la 3B Lilitumiwa?

3B graphene foam ni kibeba chenye vinyweleo kilichoundwa na mitandao ya grafeni inayopitisha umeme iliyounganishwa.

Kipenyo cha takribani cha vinyweleo katika utafiti ni:

~100 µm

.

Jukumu kuu la 3D GF limefafanuliwa kuwa:

• kutoa upitishaji mkubwa wa umeme,
• kuunda kiunzi cha kimitambo kwa CuNi-MOF nanosheet,
• kurahisisha usafirishaji wa haraka wa elektroni kwenye elektrodi

.

Povu la grafeni la 3B lilitengenezwaje?

Povu la grafeni lilitengenezwa juu ya kiolezo cha Ni foam kwa mbinu ya chemical vapor deposition.

Kisha kiolezo cha Ni kiliondolewa, povu la grafeni likafanyiwa uchakataji wa kioksidishaji na uso ufaao kwa ukuaji wa CuNi-MOF ukaandaliwa.

CuNi-MOF ilikuzwaje?

3D GF iliyooksidishwa iliwekwa katika suluhisho lenye:

• 2 mM CuCl₂·2H₂O,
• 2 mM NiCl₂·6H₂O,
• 4 mM asidi ya terephthalic

.

Mmenyuko wa hydrothermal ulifanywa katika:

125 °C, 12 saa

.

Baada ya Freeze-drying, muundo wa CuNi-MOF NSAs/3D GF ulihamishiwa kwenye kioo cha ITO.

Safu ya PEDOT Iliyotengenezwa kwa Uchapishaji wa Molekuli Iliundwaje?

Levodopa na EDOT zilichanganywa katika PBS kwa uwiano wa moli 1:4.

CuNi-MOF NSAs/3D GF ilitumika kama elektrodi ya kazi, Ag/AgCl kama elektrodi rejea na waya wa Pt kama elektrodi ya kinyume.

Elektropolimerisasi ilifanywa katika hali zifuatazo:

• eneo la potenshali: −0,2 hadi 0,6 V
• kasi ya skani: 50 mV/s
• idadi ya mizunguko: 45

.

Kisha elektrodi iliwekwa katika suluhisho la 0,1 M NaOH kwa 35 dakika na violezo vya levodopa vikaondolewa kwenye muundo.

Kwa njia hii, nafasi za utambuzi wa kimolekuli kwa levodopa ziliundwa.

Kwa Nini NaOH na Dakika 35 Zilichaguliwa?

Kuondoa levodopa ya kiolezo kwa kiwango cha kutosha kutoka ndani ya polima ni muhimu sana kwa uteuzi wa sensa.

Katika utafiti, muda tofauti wa elution ulilinganishwa na ishara ya kielektrokemia ilifikia kiwango cha plateau baada ya takribani 35 dakika.

Kati ya eluent tofauti, NaOH ilitoa mabadiliko makubwa zaidi ya mkondo.

Kwa hiyo, 0,1 M NaOH na dakika 35 zilichaguliwa kama hali ya mwisho.

Athari ya pH

Ilibainika kuwa ishara ya oksidishaji wa elektrokataliti wa levodopa inategemea sana pH.

Katika majaribio yaliyofanywa kati ya pH 4-10, mkondo wa juu zaidi wa kilele cha oksidishaji ulipatikana katika:

pH = 7

.

Levodopa huoksidishwaje kwenye elektrodi?

Wakati wa kipimo cha kielektrokemia, levodopa hupoteza elektroni mbili na kuunda dopaquinone.

Mkondo unaozalishwa wakati wa mmenyuko huu wa oksidishaji hutumiwa kupima mkusanyiko wa levodopa.

Ni Eneo Gani la Kipimo la Levodopa?

Katika majaribio ya DPV:

0, 1, 5, 10, 20, 40 na 60 µM

ya levodopa yalijaribiwa.

Mkondo wa kilele ulionyesha uhusiano mkubwa wa mstari na mkusanyiko:

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

na:

R² = 0,9985

iliripotiwa.

Unyeti na Kikomo cha Utambuzi cha Sensa ni Vipi?

Kwa kuzingatia eneo la elektrodi la takribani 0,38 cm², unyeti uliorekebishwa kwa eneo ulihesabiwa kuwa:

2,676 µA·µM⁻¹·cm⁻²

.

Kikomo cha utambuzi kiliripotiwa kuwa:

0,026 µM

.

Kuwepo kwa thamani 1,026 kwa sensa hiyo hiyo katika Jedwali 1 la chanzo kunatokana na njia tofauti ya hesabu: nambari hii ni takribani mteremko wa mkondo/mkusanyiko wa kalibresheni katika uwepo wa AA na UA, na haiwakilishi kitengo na ufafanuzi sawa na thamani ya 2,676 iliyorekebishwa kwa eneo.

Asidi ya Ascorbic na Asidi ya Uric Zilivuruga Kipimo?

Katika elektrokemia ya levodopa, asidi ya ascorbic (AA) na asidi ya uric (UA) ni vyanzo muhimu vya interferensi.

Katika utafiti:

• AA ilionyesha kilele tofauti cha oksidishaji karibu −0,05 V,
• LD karibu 0,15 V,
• UA karibu 0,26 V

.

Katika uwepo wa 30 µM AA na UA, ishara ya levodopa iliweza kutenganishwa na uhusiano wa mstari kati ya mkusanyiko wa LD na mkondo ulihifadhiwa.

Zaidi ya hayo, iliripotiwa kuwa uwezo wa sensa kutambua LD uliendelea kuhifadhiwa ingawa biomolekuli na ioni mbalimbali za kawaida zilitolewa kwa mkusanyiko mara kumi wa levodopa.

Kulingana na DFT, Levodopa Hufungamana Vipi na Uso wa Elektrodi?

Nishati ya adsorption iliyohesabiwa ya levodopa kwenye uso wa PEDOT/CuNi-MOF ilitolewa kuwa:

−7,64 eV

.

Nishati hasi ya adsorption inaonyesha kwamba, ndani ya modeli, adsorption ni yenye manufaa kimenergetiki.

Katika uchanganuzi wa msongamano tofauti wa chaji, usambazaji upya wa msongamano wa elektroni ulionekana na waandishi walitafsiri uhamisho wa elektroni kwa ujumla katika mwelekeo wa:

PEDOT → LD → CuNi-MOF

.

Hesabu hizi zinaunga mkono mwingiliano wa kielektroni unaowezekana katika kiolesura; si kipimo cha moja kwa moja cha uhamisho wa elektroni kilichotatuliwa kwa muda.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mlolongo wa utengenezaji wa sensa

Mgawanyo wa majukumu ya nyenzo tatu

Eneo hai la kielektrokemia

Eneo hai la uso wa kielektrokemia la elektrodi iliyochapishwa kimolekuli lilihesabiwa kuwa:

1,84 cm²

.

Thamani hii ni tofauti na eneo la kijiometri la kimwili la elektrodi na inawakilisha topolojia ya uso pamoja na eneo linalofikika kwa kielektrokemia.

Charge-transfer resistance

Charge-transfer resistance ya chini zaidi iliyoripotiwa kwa elektrodi iliyochapishwa kimolekuli yenye uwiano wa 1:4 LD/EDOT ilikuwa:

Rct = 3,5 Ω

.

Thamani ya chini ya Rct inaonyesha kwamba uhamisho wa elektroni kupitia kiolesura umerahisishwa.

Kurudiwa kwa vipimo

Elektrodi hiyo hiyo ilijaribiwa mara tano mfululizo katika suluhisho la 60 µM levodopa.

Kati ya vilele vya oksidishaji:

RSD = %2,06

ilipatikana.

Kurudiwa kwa utengenezaji

Elektrodi tano zilizotayarishwa kwa kujitegemea chini ya hali sawa zilijaribiwa kwa 60 µM LD na:

RSD = %1,56

ilipatikana.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba elektrodi kutoka batch tofauti za utengenezaji zilitoa majibu yanayokaribiana.

Uthabiti wa siku 15

Elektrodi ilijaribiwa na 60 µM LD kila baada ya siku tatu kwa muda wa siku 15.

Upungufu wa jumla wa mwitikio wa mkondo ulikuwa takribani tu:

%3,18

.

Kwa hiyo, mwishoni mwa siku 15 takribani %96,8 ya ishara ya awali ilihifadhiwa.

Ilijaribiwa katika Serum ya Binadamu?

Ndiyo, lakini kuna kizuizi muhimu kuhusu uchanganuzi wa sampuli za kliniki.

Serum ya binadamu:

ilipunguzwa mara 100 kwa 0,1 M PBS.

Kisha kwa mbinu ya standard addition:

matokeo yalipatikana.

Je, Matokeo Haya Yanamaanisha Sensa Iko Tayari kwa Matumizi ya Kliniki?

Hapana.

Jaribio la serum katika utafiti linaonyesha uwezekano wa matumizi ya kiuchanganuzi; hata hivyo:

• serum ilipunguzwa mara 100,
• levodopa iliongezwa kwa mbinu ya standard addition,
• hakukuwa na ulinganisho wa wakati mmoja na viwango halisi vya dawa kwa wagonjwa wa Parkinson,
• hakukutolewa uchanganuzi wa kliniki wa method-comparison kwa kutumia mbinu rejea ya LC-MS/HPLC,
• mfululizo wa muda wa kifamakokinetiki haukufuatiliwa.

Kwa hiyo, utafiti unaonyesha “uwezekano wa matumizi ya kliniki”; si uthibitishaji wa moja kwa moja wa utambuzi wa kliniki au ufuatiliaji wa dawa za tiba.

Matokeo yanayoungwa mkono moja kwa moja na utafiti

• DFT inaunga mkono kuwa EDOT ni mojawapo ya monoma za kazi zinazofaa kwa levodopa.
• Uwiano wa LD:EDOT = 1:4 ulipatikana kuwa bora kwa utendaji wa kielektrokemia wa majaribio.
• CuNi-MOF nanosheet array zilikuzwa kwa mafanikio juu ya 3D GF.
• Safu ya PEDOT iliyochapishwa kimolekuli huongeza uteuzi wa levodopa.
• Sensa hutoa mwitikio wa levodopa wa mstari katika eneo la 0-60 µM.
• Kikomo cha utambuzi kiliripotiwa kuwa 0,026 µM.
• Kilele cha LD kiliweza kutenganishwa katika uwepo wa AA na UA.
• RSD ya chini ilipatikana katika vipimo vya kurudia kwa elektrodi hiyo hiyo.
• Ishara ilihifadhiwa kwa kiasi kikubwa katika jaribio la siku 15.
• Recovery ya %98,5-102,6 ilipatikana katika serum iliyopunguzwa.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono moja kwa moja

• Haiwezi kusemwa kuwa sensa imethibitishwa kliniki kwa ufuatiliaji wa dawa za tiba kwa wagonjwa wa Parkinson.
• Haijaonyeshwa kuwa utendaji huo huo utahifadhiwa katika serum ambayo haijapunguzwa mara 100.
• Uthabiti wa sensa wa muda mrefu kwa kiwango cha miezi au miaka haujaonyeshwa.
• Nishati ya adsorption ya DFT pekee haithibitishi konstanti ya kufungamana katika matriksi halisi ya kibayolojia.
• Njia ya uhamisho wa elektroni haijathibitishwa kwa kipimo cha moja kwa moja cha kimwili kilichotatuliwa kwa muda.
• Thamani ya unyeti uliorekebishwa kwa eneo na thamani ya mteremko katika Jedwali 1 hazipaswi kutathminiwa kama kipimo kilekile cha kimwili.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

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

Waandishi: Haopeng Zhang, Shuo Huang, Huaze Sun, Haiyang Li na Hongyan Yue.

Mwandishi anayewajibika: Hongyan Yue.

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

Hali ya uchapishaji: SSRN preprint; haijapitia mapitio ya rika.

SSRN: 6889860.

Muundo mkuu wa sensa: Molecularly imprinted PEDOT / CuNi-MOF nanosheet arrays / 3D graphene foam.

Mbinu kuu ya utengenezaji: 3D GF kwa CVD, ukuaji wa hydrothermal wa CuNi-MOF katika 125 °C na elektropolimerisasi ya PEDOT kwa CV.

Uwiano bora wa imprint: LD:EDOT = 1:4.

Uondoaji wa kiolezo: 0,1 M NaOH, 35 dakika.

Eneo la mstari: 0-60 µM.

Unyeti uliorekebishwa kwa eneo: 2,676 µA·µM⁻¹·cm⁻².

LOD: 0,026 µM.

Serum recovery: %98,5-102,6; serum ilipunguzwa mara 100 kwa PBS.

Uainishaji mkuu: SEM, TEM, EDS, XRD, Raman, FTIR, XPS, CV, EIS, DPV na DFT.

Programu za DFT: Gaussian 16W na Materials Studio 2019 CASTEP.

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

Mgongano wa maslahi: Waandishi walitangaza kuwa hakuna mgongano unaojulikana wa maslahi ya kifedha au binafsi.

Vikwazo vikuu: Utafiti ni preprint. Majaribio ya serum yalifanywa katika matriksi iliyopunguzwa mara 100. Hakuna kohoti ya wagonjwa wa kliniki wala utafiti wa method-comparison kwa mbinu rejea ya maabara. Matokeo ya DFT ni modeli ya kinadharia ya adsorption na mwingiliano. Uthabiti wa muda mrefu ulichunguzwa kwa siku 15 pekee.