Nanoczujnik wykrywa antybiotyki w ściekach i lekach z rekordową precyzją

Czy innowacyjny czujnik rewolucjonizuje monitorowanie antybiotyków?

Naukowcy opracowali innowacyjny czujnik elektrochemiczny, który może precyzyjnie wykrywać cyprofloksacynę (CIP) w próbkach środowiskowych i farmaceutycznych. Badanie to ma istotne znaczenie w kontekście narastającego problemu oporności na antybiotyki, który stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego.

Cyprofloksacyna, syntetyczny antybiotyk z grupy fluorochinolonów drugiej generacji, jest powszechnie stosowana w leczeniu infekcji wywołanych przez bakterie Gram-dodatnie i Gram-ujemne. Jednak jej nadmierne stosowanie przyczynia się do powstawania i rozprzestrzeniania się szczepów opornych, co ogranicza jej potencjalne zastosowanie terapeutyczne i stwarza zagrożenie dla zdrowia publicznego. Monitorowanie stężenia CIP w środowisku wodnym staje się więc kluczowe dla bezpieczeństwa ekosystemów i zdrowia ludzkiego.

Dotychczasowe metody wykrywania CIP, takie jak techniki chromatograficzne, spektrofotometryczne czy elektroforeza kapilarna, mimo swojej czułości, mają istotne ograniczenia: duże rozmiary aparatury, wysokie koszty i konieczność stosowania wielu procedur wstępnej obróbki próbek. W odpowiedzi na te wyzwania, zespół badaczy opracował czujnik elektrochemiczny bazujący na nanokompozycie YbZnO@h-BN (nanocząsteczki tlenku cynku domieszkowane iterbem osadzone na heksagonalnym azotku boru).

Nowy czujnik wykazuje wiele zalet w porównaniu do konwencjonalnych metod. Jest łatwy w użyciu, przenośny, charakteryzuje się wysoką selektywnością i czułością, niskim kosztem, szybką odpowiedzią oraz możliwością miniaturyzacji. Naukowcy wykorzystali półprzewodnikowe tlenki metali (MOS) jako ekonomiczne elektrokatalizatory w zastosowaniach elektrochemicznych ze względu na ich właściwości elektryczne i optyczne. Modyfikacja powierzchni elektrody pracującej przy użyciu MOS okazała się wysoce efektywnym podejściem.

Jak nanokompozyt YbZnO@h-BN wpływa na właściwości elektrody?

Szczególnie obiecujące okazały się nanocząsteczki tlenku cynku (ZnO NPs) w fazie krystalicznej wurcytu, które wykazują przewodnictwo typu n i pożądane cechy, takie jak niski koszt, wysoka mobilność elektronów, nietoksyczność, duża powierzchnia i kompatybilność z domieszkowaniem. Jednak wyzwania związane z niską przewodnością i niestabilnością ograniczają ich pełny potencjał. Aby zwiększyć właściwości elektrokatalityczne ZnO NPs, zastosowano modyfikacje powierzchniowe i domieszkowanie nanocząsteczkami metalicznymi.

W badaniu wykorzystano itery (Yb3+), które ze względu na swoją wysoką przerwę energetyczną (5 eV) i promień jonowy (0,89 Å) mogą łatwo zastąpić Zn2+ w strukturze krystalicznej ZnO. Ponadto, do zwiększenia wydajności elektrody, włączono heksagonalny azotek boru (h-BN), który zyskuje zainteresowanie ze względu na wysoką odporność na utlenianie, stabilność chemiczną, niską cytotoksyczność i dobrą wytrzymałość mechaniczną.

Badacze zastosowali metodę hydrotermalną do syntezy nanokompozytu YbZnO@h-BN, która pozwoliła na osadzenie nanocząsteczek YbZnO na matrycy 2D heksagonalnego azotku boru. Proces syntezy był dwuetapowy – najpierw wytworzono nanocząsteczki ZnO, a następnie przygotowano kompozyt YbZnO@h-BN. Otrzymany materiał miał postać żółtawo-białego osadu, który po kalcynacji w temperaturze 600°C przez 4 godziny utworzył finalny nanokompozyt.

Badacze przeprowadzili szczegółową charakterystykę opracowanego nanokompozytu YbZnO@h-BN za pomocą różnorodnych technik, w tym spektroskopii FTIR, spektroskopii Ramana, dyfrakcji rentgenowskiej (XRD), mikroskopii elektronowej (SEM, TEM) oraz spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich (XPS). Wyniki potwierdziły udaną syntezę nanokompozytu o pożądanych właściwościach. Badania mikroskopowe wykazały, że nanokompozyt YbZnO@h-BN ma strukturę mikrosferycznych cząstek ułożonych jedna na drugiej, z małymi sferycznymi i pałeczkowatymi cząstkami osadzonymi na dużych arkuszach.

Czy zaawansowana elektrochemia spełnia oczekiwania kliniczne?

W testach elektrochemicznych czujnik YbZnO@h-BN/GCE wykazał najniższą oporność przenoszenia ładunku (251,8 Ω) w porównaniu z innymi testowanymi elektrodami, co świadczy o zwiększonej przewodności. Ta poprawa przypisywana jest synergistycznym interakcjom między nanocząsteczkami YbZnO a strukturą 2D h-BN, które zwiększają przewodność interfejsu elektrody i ułatwiają transport masy. Obliczona elektrochemicznie aktywna powierzchnia (EASA) dla elektrody YbZnO@h-BN/GCE wynosiła 0,068 cm², co było najwyższą wartością wśród wszystkich testowanych elektrod.

Mechanizm działania opracowanego czujnika opiera się na elektrokatalizie – utlenianiu cząsteczki CIP na powierzchni elektrody. Badacze zaproponowali, że reakcja elektroutleniania CIP zachodzi poprzez utlenianie drugorzędowej aminy w strukturze CIP, prowadząc do powstania pochodnej hydroksyloaminy. Proces ten jest zależny od pH środowiska, przy czym optymalne warunki dla detekcji CIP uzyskano przy pH 5,0.

Czujnik wykazał doskonałą wydajność w wykrywaniu CIP, z niskim limitem detekcji (0,059 μM), szerokim zakresem liniowym (0,05 do 100 μM) i wysoką czułością (7,4441 μA μM⁻¹ cm⁻²). Co ważne, sensor zachowywał 88,7% swojej pierwotnej odpowiedzi prądowej po 12 dniach przechowywania, co wskazuje na dobrą stabilność.

Jakie realne korzyści dla praktyki medycznej niesie nowa technologia?

Istotnym aspektem opracowanego czujnika jest jego wysoka selektywność. W obecności potencjalnych substancji interferujących, takich jak sulfametoksazol, karbamazepina, naproksen, efawirenz, trimetoprim, ampicylina i newirapina, nie zaobserwowano znaczących zmian w sygnale odpowiedzi dla CIP. Oznacza to, że czujnik może być stosowany do analizy próbek złożonych, takich jak ścieki czy preparaty farmaceutyczne, bez ryzyka uzyskania fałszywych wyników.

W testach na rzeczywistych próbkach, czujnik YbZnO@h-BN/GCE wykazał doskonałe odzyski w zakresie 94-105% w próbkach z oczyszczalni ścieków i 95-112% w komercyjnych tabletkach CIP. Wartości RSD w obu przypadkach były niższe niż 5%, co potwierdza wysoką dokładność i precyzję metody. Próbki ścieków zostały pobrane z oczyszczalni ścieków Umgeni w prowincji Kwazulu-Natal w Republice Południowej Afryki, a komercyjne tabletki CIP zakupiono w lokalnej aptece w Johannesburgu.

Z punktu widzenia praktyki klinicznej, opracowana technologia może przyczynić się do lepszego monitorowania skuteczności procesów oczyszczania ścieków szpitalnych, które są znaczącym źródłem antybiotyków w środowisku wodnym. Ponadto, możliwość szybkiego i dokładnego oznaczania zawartości CIP w preparatach farmaceutycznych może wspierać kontrolę jakości leków, co jest szczególnie istotne w kontekście problemu leków podrabianych lub niespełniających norm jakościowych.

Badanie to wpisuje się w szerszy kontekst działań mających na celu ograniczenie rozprzestrzeniania się oporności na antybiotyki. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) uznała oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe za jedno z dziesięciu najważniejszych zagrożeń dla zdrowia publicznego. Dokładne monitorowanie obecności antybiotyków w środowisku stanowi istotny element strategii przeciwdziałania temu zjawisku.

Dla lekarzy klinicznych, informacje uzyskane dzięki takim czujnikom mogą stanowić cenne źródło wiedzy o rzeczywistym obciążeniu środowiska antybiotykami, co może wpływać na decyzje dotyczące wyboru terapii empirycznej w leczeniu zakażeń. W regionach, gdzie wykrywa się wysokie stężenia określonych antybiotyków w środowisku, można spodziewać się wyższego poziomu oporności bakterii na te leki, co powinno być uwzględniane w wytycznych dotyczących terapii empirycznej.

Istotnym aspektem badania jest również możliwość miniaturyzacji opracowanego czujnika. W przyszłości mogłoby to prowadzić do rozwoju przenośnych urządzeń do szybkiej analizy próbek w warunkach terenowych, co byłoby szczególnie wartościowe w monitoringu środowiskowym oraz w ocenie jakości wody pitnej w regionach o ograniczonym dostępie do zaawansowanych laboratoriów analitycznych.

Podsumowując, opracowany czujnik elektrochemiczny oparty na nanokompozycie YbZnO@h-BN stanowi obiecujące narzędzie do monitorowania obecności cyprofloksacyny w środowisku wodnym i preparatach farmaceutycznych. Jego wysoka czułość, selektywność i stabilność, w połączeniu z prostotą użycia i możliwością miniaturyzacji, czynią go atrakcyjnym rozwiązaniem dla różnorodnych zastosowań związanych z monitoringiem antybiotyków i przeciwdziałaniem oporności bakterii.

Podsumowanie

Naukowcy opracowali innowacyjny czujnik elektrochemiczny wykorzystujący nanokompozyt YbZnO@h-BN do precyzyjnego wykrywania cyprofloksacyny w próbkach środowiskowych i farmaceutycznych. Technologia ta stanowi odpowiedź na narastający problem oporności bakterii na antybiotyki, który według Światowej Organizacji Zdrowia należy do dziesięciu najważniejszych zagrożeń dla zdrowia publicznego. Nowy czujnik przewyższa konwencjonalne metody chromatograficzne i spektrofotometryczne pod względem mobilności, prostoty użycia i kosztów, jednocześnie zachowując wysoką czułość i selektywność. Nanokompozyt łączy nanocząsteczki tlenku cynku domieszkowane iterbem z heksagonalnym azotkiem boru, co zapewnia doskonałą przewodność elektryczną i stabilność chemiczną. Czujnik wykazał niski limit detekcji na poziomie 0,059 μM, szeroki zakres liniowy od 0,05 do 100 μM oraz wysoką czułość wynoszącą 7,4441 μA μM⁻¹ cm⁻². W testach na rzeczywistych próbkach ze ścieków i preparatów farmaceutycznych uzyskano odzyski na poziomie 94-112% z precyzją powyżej 95%, co potwierdza praktyczną użyteczność metody. Technologia umożliwia monitorowanie skuteczności oczyszczania ścieków szpitalnych będących głównym źródłem antybiotyków w środowisku wodnym oraz kontrolę jakości leków. Dla praktyki klinicznej czujnik dostarcza cennych informacji o rzeczywistym obciążeniu środowiska antybiotykami, co może wpływać na decyzje dotyczące wyboru terapii empirycznej w regionach o wysokim poziomie zanieczyszczenia. Możliwość miniaturyzacji urządzenia otwiera perspektywę rozwoju przenośnych systemów do szybkiej analizy terenowej, szczególnie wartościowych w monitoringu środowiskowym i ocenie jakości wody pitnej w obszarach o ograniczonym dostępie do zaawansowanych laboratoriów.