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        一種新型的分子印跡石墨烯-石墨導電紙電極,用于化妝品配方中透明質酸的選擇性電化學檢測

        《Talanta》:A novel molecularly imprinted graphene-graphite conductive paper electrode for selective electrochemical detection of hyaluronic acid in cosmetic formulations

        【字體: 時間:2026年03月03日 來源:Talanta 6.1

        編輯推薦:

          本研究開發了一種低成本、柔性且可降解的導電涂料紙張電極(CPP),通過電聚合制備了含有海藻糖印跡的聚對苯二胺薄膜(HA-MI-P(p-PD)@CPP),用于選擇性檢測化妝品和醫療產品中的海藻糖。該方法在0.1-60 μM和60-1000 μM范圍內呈現線性響應,檢測限低至0.009 μM,對結構相似的干擾物展現出高選擇性(印跡因子>3),并驗證了其在實際產品檢測中的可靠性。

          
        Milan Dhara|Sanjoy Banerjee|Santanu Ghorai|Sk Sohel Ahamed|Don Biswas|Sudip Naskar|Utsa Sarkar|Nityananda Das|Dipankar Mandal|Rajib Bandyopadhyay|Bipan Tudu
        印度加爾各答未來工程與管理學院電子與通信工程系,郵編700150

        摘要

        透明質酸(HA)是一種廣泛用于化妝品和醫療保健產品的糖胺聚糖,因其保濕、粘彈性和再生特性而備受重視。因此,準確測定商業產品中的HA含量對于質量控制和技術合規性至關重要。盡管已經采用了多種色譜和光譜技術進行HA定量分析,但由于操作成本高、過程復雜以及樣品制備耗時,這些技術的應用受到限制。在本研究中,開發了一種基于導電涂料的低成本、靈活且一次性的紙質電極(CPP電極),該電極表面涂覆了電聚合透明質酸印跡聚(對苯二胺)薄膜[HA-MI-P(p-PD)@CPP],用于選擇性檢測HA。導電涂料是通過將聚丙烯酸與石墨烯納米片-石墨(GNS-g)復合材料分散在氯仿中制備而成的,從而獲得機械穩定且高導電性的基底。電聚合后,通過循環伏安法(CV)、差分脈沖伏安法(DPV)和電化學阻抗譜(EIS)以及[Fe(CN)63-/[Fe(CN)64-氧化還原對研究了模板去除和重新結合的過程。通過比較暴露于不同HA濃度前后的DPV信號,評估了印跡電極的分析性能。該方法實現了0.009 μM的檢出限(LOD)和0.032 μM的定量限(LOQ),并具有兩個線性響應范圍(0.1–60 μM和60–1000 μM)。高回收率(97–104%)和超過3的印跡因子證明了其對結構相關干擾物的強選擇性。其經濟性、環境兼容性和可靠的傳感能力凸顯了其在化妝品和醫療保健產品中現場監測HA的潛力。

        引言

        制藥和化妝品品牌經常宣傳能夠預防健康問題的產品。如今最受關注的成分之一是透明質酸(HA)。這種生物聚合物是一種高分子量的糖胺聚糖,由N-乙酰-d-葡萄糖胺和d-葡萄糖醛酸重復二糖單元組成[1,2]。它由結締組織細胞自然合成,是細胞外基質的重要組成部分,在維持組織水分、彈性和完整性方面起著關鍵作用。由于其卓越的物理化學和生物功能,HA在化妝品、美容手術、眼科、骨科、風濕病學、組織工程和癌癥治療等領域得到了廣泛應用[3,4]。除了其天然結構外,還將HA與生物活性物質結合的配方也被廣泛研究,用于面部容積提升、骨關節炎管理、皺紋減少、心血管和皮膚治療、泌尿系統支持、抗氧化和抗炎療法以及傷口愈合[[5], [6], [7]]。在化妝品配方中,HA被添加到血清、面霜和注射產品中,以增強保濕效果、皮膚緊致度和抗衰老效果,其中透明質酸鈉因其優異的皮膚滲透性而特別受歡迎[[8], [9], [10], [11]]。HA在生物醫學和化妝品領域的廣泛應用主要歸功于其良好的生物相容性、可生物降解性、無毒性和非免疫原性,盡管偶爾會出現輕微副作用,如短暫刺激、腫脹或淤青[[12], [13], [14], [15], [16]]。本研究重點是通過電化學方法定量容易獲得的非處方產品中的HA含量,并將檢測結果與標簽聲明值進行比較。
        已有多種分析技術用于測定制藥和化妝品配方中的HA含量。?a?lar等人[17]使用HPLC在5–100 μg/mL的工作范圍內定量HA,檢出限(LOD)為0.226 μg/mL。Ka?parová等人[18]使用HPLC-MS和HPLC-FL比較了化妝品中的HA含量,而Suárez-Hernández等人[19]采用尺寸排阻色譜法,獲得了100–1000 mg/L的寬線性范圍,檢出限為12 mg/L。Harmita等人[20]也使用HPLC檢測了5–50 μg/mL范圍內的HA,檢出限為3.55 μg/mL。Ermolenko等人[21]報道了電泳定量方法,Zhang等人[22]引入了一種基于芘的陽離子AIEgen系統,能夠檢測0–8 μg/mL范圍內的HA,檢出限低至6.9 ng/mL。此外,FTIR光譜也被用于食品補充劑中的HA分析[23]。盡管這些技術具有高靈敏度和準確性,但通常需要昂貴的儀器、較長的分析時間和復雜的樣品制備過程,限制了它們的廣泛應用。
        相比之下,電化學技術因其簡單性、快速響應、成本效益和能夠實現非常低的檢出限而廣泛應用于分析領域。例如,Mobed等人[24]開發了一種Pt@Au納米合金免疫傳感器,用于檢測血漿中的HA,檢出范圍為0.156–160 ng/mL,檢出限為0.039 ng。Chen等人[25]報道了一種RGO–ZnO納米復合材料修飾的GCE生物傳感器,能夠在1–800 μM范圍內實現選擇性檢測,檢出限為0.42 μM。Niu等人[26]使用苯胺磺酸作為陽離子探針,實現了0.8–50 mg/L的線性檢測范圍,檢出限為0.901 mg/L。Chen等人[27]提出了一種基于PMMA的微芯片和金納米電極組合,能夠在0.1–10 mg/mL范圍內實現檢測,檢出限為0.1 mg/mL。Perk等人[28]引入了一種AuNP修飾的碳糊電極,用于皮膚科HA分析,檢測范圍為0.0075–0.15 mg/100 mL,檢出限達到0.0034 mg/100 mL。
        為了進一步提高檢出限、靈敏度和選擇性,分子印跡聚合物(MIPs)的集成受到了廣泛關注[29]。由于其高特異性、選擇性和優異的檢測能力,MIPs能夠有效分離復雜樣品基質中的目標分子。因此,MIPs已成為制藥和食品安全領域先進電化學傳感器發展的強大工具[30]。最初,MIPs主要通過批量聚合合成。在這種方法中,模板分子與功能單體和交聯劑結合形成剛性聚合物基質。聚合后,將聚合物機械研磨并篩分,以獲得含有模板特異性結合腔的微米級顆粒[[31], [32], [33]]。然而,這種聚合后的研磨步驟效率較低,對顆粒大小或形態的控制有限。因此,所得MIPs往往具有不規則的結構、隨機的納米級特征、較差的均勻性和較高的非特異性結合,從而降低了其對目標分析物的親和力和選擇性[34]。為克服這些缺點,表面聚合技術因操作簡單、穩定性提高和傳質特性增強而受到青睞。在表面印跡過程中,識別位點主要形成在固體基底的外層,從而加快了結合-解離動力學并提高了模板特異性腔的可用性。可以在電極或固體支持物上使用多種策略進行單體聚合,包括熱聚合(TP)、光聚合(PP)和電聚合(EP)[35,36]。其中,EP特別有利,因為在電極表面存在模板的情況下施加受控的電位或電流來誘導聚合。因此,這種技術能夠生成薄而均勻、附著力強的MIP薄膜,具有更好的選擇性和重復性。
        最近,使用導電涂料或油墨制成的可丟棄紙質電極在醫療和環境傳感領域受到了廣泛關注,表現出良好的分析性能。這類紙質傳感器價格低廉、易于制造、可生物降解,適用于實驗室和現場使用[[37], [38], [39]]。因此,許多研究致力于開發廉價且簡單的紙質電化學傳感器制造方法。例如,Pradela-Filho等人[40]使用含有石墨的玻璃清漆導電油墨制備了用于檢測多巴胺、兒茶酚、對羥基苯酚和雌二醇等分析物的紙質電極。Cinti等人[41]報道了一種無需試劑的絲網印刷紙質傳感器,用于河水中磷酸鹽的測定。de Araujo Andreotti等人[42]引入了一種使用指甲油作為粘合劑的石墨油墨配方,用于制造柔性可丟棄電極,而Pradela-Filho等人的另一項研究[43]開發了基于碳粉/指甲油的導電油墨,用于多巴胺檢測。表面修飾常用于提高絲網印刷碳電極的靈敏度和選擇性。例如,Buleandra等人[44]使用普魯士藍修飾的電極檢測對羥基苯酚和兒茶酚,而Li等人[45]開發了含有多壁碳納米管和金納米顆粒的可丟棄電極,通過DPV實現了二羥基苯異構體的區分。然而,目前尚未有基于CPP的MIP相關報道。
        本研究介紹了一種在導電涂料涂層紙上制備的低成本、輕便且靈活的MIP傳感器。通過對我們之前的工作[46]進行少量修改,通過在聚丙烯酸粘合劑中分散石墨烯納米片(GNS)和石墨(g),開發了CPP平臺。所得復合材料相比傳統的玻璃管電極具有更好的導電性、機械穩定性和活性表面積。制備好導電紙質電極后,將其作為MIP薄膜在其表面直接生長的基底。通過在HA模板存在下對對苯二胺(p-PD)進行表面聚合,形成了印跡層。選擇p-PD作為功能單體,是因為它通過氫鍵和氨基與羧基/羥基之間的靜電相互作用與HA具有強親和力。電聚合后,p-PD在CPP表面形成一層薄而均勻的、電絕緣的聚(p-PD)層,從而實現高效的分子印跡和電化學檢測。無需化學交聯劑即可形成穩定薄膜的能力進一步證明了其適用于低成本紙質傳感平臺的優勢。這種策略允許精確控制薄膜的形成,并在CPP電極上有效整合分子識別位點,最終為高選擇性的電化學傳感應用鋪平了道路。
        本研究采用了一種新穎的方法,利用低成本、靈活且可生物降解的導電涂料基紙質基底作為MIP制造的創新支撐。通過將電化學技術與分子印跡相結合,實現了對HA的高度選擇性識別,具有顯著的精確度。所得的HA-MI-P(p-PD)@CPP傳感器對HA表現出優異的靈敏度和選擇性,同時保持了出色的重復性、可重復性和長期操作穩定性。通過成功分析化妝品配方,驗證了其實際效果。由于其簡單性、經濟性和環保性,這種傳感平臺在化妝品行業具有巨大的應用潛力,并可進一步擴展到制藥和食品分析領域。

        試劑和化學品

        透明質酸(HA,分子量100 kDa)購自ASESCHEM。硫酸軟骨素、肝素、葡萄糖醛酸、N-乙酰葡萄糖胺、乙醇、對苯二胺(p-PD)、四甲基氫氧化銨(TMAH)、二甲亞酰胺(DMF)、氫氧化鈉(NaOH)、檸檬酸(CA)、維生素C、維生素E、聚乙烯醇(PVA)、甲基對羥基苯甲酸酯、甘油、咖啡因和煙酰胺均由Sigma-Aldrich提供,無需進一步純化即可使用。氧化還原探針使用氰化鐵鉀[K3(Fe(CN)6]和氰化鐵鉀[K4]制備。

        使用HA-MI-P(p-PD)@CPP電極檢測HA的原理

        通過電聚合對苯二胺(p-PD)在HA模板存在下制備HA-MI-P(p-PD)@CPP電極,建立了一種創新的電化學傳感策略。首先,將HA模板與p-PD單體在水性緩沖液中混合,并使用超聲波處理。這一步驟允許p-PD的功能基團(–NH2基團)與HA之間發生非共價相互作用(如氫鍵、靜電相互作用和范德華力)。

        結論

        總之,在CP涂層紙上成功制備了一種電聚合MIP傳感薄膜HA-MI-P(p-PD),用于HA檢測。該傳感器通過信號關閉機制工作,在標準5 mM [Fe(CN)63-/[Fe(CN)64-溶液中,電化學響應隨HA濃度的增加而減弱。該傳感器表現出優異的分析特性,包括寬線性檢測范圍(0.1–1000 μM)、低檢出限(LOD)0.009 μM和高靈敏度(1.12 μA/μM)。

        CRediT作者貢獻聲明

        Milan Dhara:撰寫 – 審稿與編輯、撰寫 – 原稿、驗證、軟件、方法學、研究、數據分析、概念化。Sanjoy Banerjee:撰寫 – 審稿與編輯、撰寫 – 原稿、驗證、研究。Santanu Ghorai:撰寫 – 審稿與編輯、撰寫 – 原稿、方法學、研究、數據分析。Sk Sohel Ahamed:撰寫 – 審稿與編輯、撰寫 – 原稿、方法學、研究。Don

        利益沖突聲明

        作者聲明沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
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