Développement de nanobâtonnets de sulfure de bismuth et de dendrimère polyamidoamine sur oxyde de graphène réduit comme nanomatériaux d'électrode pour la détermination électrochimique du salbutamol

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8902 (2023) Citer cet article

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Les dendrimères, une nouvelle classe de nanomatériaux, font l'objet de plus d'attention dans divers domaines. Dans cette étude, en combinant les avantages du dendrimère polyamidoamine (PAMAM) avec l'oxyde de graphène réduit (rGO) et le sulfure de bismuth (Bi2S3), nous sommes parvenus à concevoir un nouveau composite et son application aux capteurs électrochimiques a été étudiée pour la première fois. En tant que nouvelle approche dans la préparation du composite, PAMAM a été utilisé pour la première fois pour augmenter la surface de Bi2S3 avec rGO, ce qui a finalement conduit à une augmentation de la surface active du capteur (5 fois par rapport à l'électrode nue) . Pour la première fois, nous avons utilisé la méthode sonochimique pour l'interaction entre PAMAM avec Bi2S3 et rGO, qui était une méthode plus simple et plus rapide pour préparer le composite. La conception ciblée du composite a été réalisée en utilisant la méthode de conception expérimentale pour obtenir la composition optimale des composants. Le nouveau nanocomposite a été appliqué avec succès pour une détection électrochimique simple et sensible du salbutamol pour contrôler la santé des aliments. Le salbutamol est utilisé comme additif interdit dans les aliments pour animaux et volailles. Le capteur a une bonne sensibilité (augmentation de 35 fois par rapport à l'électrode nue) et une limite de détection basse (1,62 nmol/L). De plus, il a une sélectivité acceptable, une bonne répétabilité (1,52–3,50%), une bonne reproductibilité (1,88%) et une précision satisfaisante (récupérations : 84,6–97,8%). Une caractéristique exceptionnelle du capteur est sa large plage linéaire (5,00–6,00 × 102 nmol/L). Ce capteur est bien adapté à la détermination du salbutamol dans les échantillons de lait, de saucisse et d'aliments pour bétail et volaille.

Le salbutamol (SAL) est une sorte d'agonistes β2-adrénergiques avec un cycle aromatique et un groupe amino terminal. Le salbutamol peut aider à augmenter la croissance des animaux et l'efficacité de leur alimentation en diminuant la graisse corporelle et en augmentant l'accrétion de protéines1. Cependant, il peut s'accumuler chez les animaux et s'accumuler facilement dans les tissus humains après la consommation de viande, ce qui peut entraîner des problèmes de santé2,3. Pour protéger la santé publique, l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO), l'Union européenne (UE) et la Chine ont déclaré que les agonistes β2-adrénergiques, y compris le salbutamol, doivent être nuls dans la consommation d'aliments pour animaux4. Cependant, l'abus illégal de salbutamol dans l'alimentation animale ne s'arrête jamais. Par conséquent, il est nécessaire de diffuser une méthode simple, rapide et sensible pour le dépistage du salbutamol à de faibles concentrations dans des échantillons d'aliments pour animaux et de denrées alimentaires pour le contrôle de la sécurité alimentaire.

Plusieurs méthodes ont été rapportées pour détecter le SAL, y compris la chromatographie liquide à haute performance5, l'immunochromatographie6, la chromatographie liquide-spectrométrie de masse7 et les méthodes électrochimiques. Les méthodes électroanalytiques ont des procédures de prétraitement simples, un faible coût, une sensibilité élevée, un temps d'analyse court et une instrumentation miniaturisable. Par conséquent, les méthodes électroanalytiques ont acquis une grande attention, en particulier dans les inspections de routine. Diverses méthodes électrochimiques basées sur la voltamétrie cyclique (CV)8, la voltamétrie pulsée différentielle (DPV)9, la voltamétrie à balayage linéaire (LSV)10, la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS)11 et l'ampérométrie12 ont été développées pour les déterminations de salbutamol. Ainsi, la conception et le développement d'un capteur sélectif et sensible pour la détermination SAL par technique électroanalytique ont suscité un intérêt considérable dans les communautés scientifiques, médicales et de la santé.

Le développement de nouveaux matériaux avancés avec des applications polyvalentes reste un défi pour la communauté scientifique. La conception des matériaux développés joue un rôle important dans l'amélioration des performances des capteurs électrochimiques. Les dendrimères sont une nouvelle classe de nanomatériaux qui sont des molécules ramifiées globulaires répétitives avec une structure tridimensionnelle, des groupes fonctionnels terminaux et des cavités bien définies qui peuvent servir d'hôtes pour d'autres molécules13. Parmi les différents dendrimères, le dendrimère le plus largement utilisé est la poly(amidoamine) (PAMAM)14. Les dendrimères de polyamidoamine (PAMAM) sont des polymères "étoiles denses" qui ont 11 générations différentes avec dix groupes de surface fonctionnels. Avec une série de groupes répétitifs, chaque nouvelle génération de PAMAM se forme autour de la génération précédente. Le PAMAM nouvellement formé a des propriétés exceptionnelles. Ces propriétés sont un grand diamètre, une grande surface et possèdent des branches plus réactives. Les branches de surface réactives permettent de considérer PAMAM comme des ligands d'affinité et des agents de détection de composés pharmaceutiques15. Ils ont reçu une grande attention dans la conception et le développement de capteurs électrochimiques, en raison de leurs avantages, tels qu'un poids moléculaire stable, une uniformité moléculaire, une taille spécifique, une forme définie et de nombreuses branches de surface16. Parmi les candidats courants pour la fabrication de capteurs électrochimiques à base de dendrimères hautes performances, on trouve la combinaison de dendrimères avec de nombreux matériaux conducteurs.

Aujourd'hui, divers matériaux conducteurs sont utilisés pour augmenter la sensibilité et la sélectivité des capteurs électrochimiques. Certains modificateurs bien connus qui ont un impact significatif sur les performances des capteurs, par exemple, Afzali et al. ont utilisé des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) pour concevoir un capteur sensible pour la détection de la zéaralénone et de l'antimoine (III)17,18, et Ostovar et al. a également appliqué MWCNT/Poly pyrrole/acide phénylboronique pour la mesure électrochimique du diltiazem19.

Le sulfure de bismuth (Bi2S3) est un semi-conducteur de type n avec une bande interdite d'énergie directe allant de 1,2 à 1,7 eV. Le matériau semi-conducteur de type n contient un grand nombre d'électrons libres, qui jouent un rôle important dans la conductivité électrique. Le Bi2S3 est connu comme un puissant modificateur de capteur en raison de ses excellentes caractéristiques photovoltaïques, de son abondance naturelle et de sa compatibilité environnementale souhaitable20. Il peut être combiné avec un substrat en carbone pour éviter l'agglomération, ce qui entraîne une diminution de la surface efficace21.

Les nanomatériaux bidimensionnels (2D) avec des structures en couches, une grande surface, une flexibilité mécanique et des propriétés électroniques ont attiré beaucoup d'attention dans la conception des capteurs. Parmi les nanomatériaux bidimensionnels les plus utilisés, on peut citer le graphène et ses dérivés (oxyde de graphène réduit oxyde de graphène). Ces dernières années, une nouvelle famille de matériaux bidimensionnels, les carbures/nitrures de métaux de transition (MXene), a reçu une beaucoup d'attention. Malgré ses avantages, le MXene a encore ses propres défis et inconvénients. Deux limitations majeures dans la préparation des matériaux à base de MXene sont la faible dispersibilité dans l'eau du MXene et l'oxydation rapide du MXene. Par conséquent, ce matériau en est encore à ses débuts. et a besoin de plus de recherche pour l'améliorer22,23. Au lieu de cela, les nanomatériaux de graphène bidimensionnels et ses dérivés, en plus de bonnes propriétés électriques et d'une surface active élevée, ont une bonne stabilité et une bonne dispersion dans l'eau. La préparation de ces nanomatériaux est également rentable et ne nécessite pas d'équipement de pointe.

L'oxyde de graphène (GO) est un réseau de carbone à liaison sp2 bidimensionnel d'une épaisseur d'un atome24. Les propriétés électrochimiques du GO, telles que le transport fin des électrons et la grande activité électrocatalytique, ont donné lieu à un large éventail d'applications en tant que matériau d'électrode25. Pour améliorer l'activité électrochimique du GO, il est transformé en oxyde de graphène réduit (rGO) en éliminant presque tous les groupes contenant de l'oxygène26. L'oxyde de graphène réduit (rGO) a attiré une grande attention dans les capteurs électrochimiques27.

La conception d'un capteur avec un dépistage rapide, simple et efficace du salbutamol peut être largement utilisée dans les centres de contrôle de la qualité des aliments. Un capteur approprié pour la détermination du salbutamol dans les aliments pour animaux et volailles et les échantillons alimentaires doit, en plus d'être performant, être facile, rapide et économique à préparer afin de pouvoir être commercialisé. Par conséquent, dans la conception du modificateur pour la préparation du capteur, l'aspect d'amélioration des performances du capteur et l'aspect de sa commercialisation ont été pris en compte. La biocompatibilité des matériaux utilisés pour réaliser le capteur revêt également une importance particulière. Joan Chepkoech Kilel et ses collègues ont utilisé MWCNT pour préparer un capteur pour la détermination du salbutamol. Malgré ses avantages, le MWCNT est considéré comme dangereux, sa technologie de préparation est coûteuse, et sa longueur et sa structure géométrique peuvent limiter certaines applications28. Wang et ses collègues ont utilisé des nanoparticules d'argent-palladium pour préparer le capteur. Ces deux métaux sont chers et leur utilisation n'est pas économique4. Par conséquent, nous avons essayé d'utiliser des matériaux qui, en plus d'améliorer les performances du capteur, sont des matériaux biodégradables et peu coûteux, faciles à préparer et ne nécessitant pas d'équipement coûteux.

Ici, nous avons développé un nouveau nanocomposite à base de dendrimère pour la détection électrochimique de SAL dans des échantillons alimentaires. PAMAM a été sélectionné comme représentation du dendrimère. Bi2S3 et rGO ont été utilisés pour améliorer la conductivité du dendrimère (en tant que matériaux conducteurs). La méthode de conception expérimentale (conception composite centrale (CCD) et méthodologie de surface de réponse) a été mise en œuvre pour comprendre les termes de courbure et d'interaction et optimiser les variables expérimentales (facteurs) affectant les performances du nanocomposite. Enfin, le nanocomposite rGO/ PAMAM/Bi2S3 a été entièrement caractérisé et le capteur fabriqué a été évalué et appliqué pour la détermination de SAL dans des échantillons réels.

Les Bi2S3, rGO et PAMAM synthétisés ont été caractérisés par des microscopes électroniques à balayage à émission de champ (FE-SEM), la spectrométrie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX), la diffraction des rayons X (XRD) et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). La morphologie des nanorods Bi2S3 synthétisés et du rGO a été étudiée par FE-SEM. Les figures 1a à c montrent les structures tridimensionnelles des nanotiges rGO, Bi2S3 et rGO/PAMAM/Bi2S3 ; également, il montre des changements de surface spécifiques (augmentant) pendant la modification. L'analyse EDX (Fig. 1g, h) aide à évaluer la pureté des nanoparticules synthétisées. La figure 1g confirme que l'échantillon de Bi2S3 préparé était composé d'éléments S et Bi. La carte des éléments montre une distribution uniforme des éléments contributeurs dans les nanoparticules synthétisées (Fig. 1d, e). La morphologie des feuilles rGO est illustrée sur les figures 1a, c. Comme il est indiqué, rGO a des feuilles (Fig. 1c) autour desquelles les nanorods de Bi2S3 s'accumulent. L'augmentation évidente de l'épaisseur des feuilles rGO (Fig. 1c) est due à l'application PAMAM. Le diagramme XRD de GO (Fig. 1f) représente un pic de diffraction net à 2θ = 10,9787 °. En utilisant l'équation de Bragg (2dsinθ = nλ), il est montré que l'espacement d intercouche entre les nanofeuilles GO était de 8, 05 Å. Cette valeur confirme que la fonctionnalisation contenant de l'oxygène a été réalisée avec succès29. Après réduction hydrothermale du GO, le pic à 2θ = 10,9787° a disparu, et un nouveau pic faible est apparu à 23,8897°, lié à la diffraction de rGO (Fig. 1k). L'espacement d entre les couches correspondant aux feuilles rGO est de 3,72 Å, ce qui est inférieur aux feuilles GO. Ces diminutions indiquent que, lors de la réduction de GO, les groupes fonctionnels contenant de l'oxygène sont éliminés avec succès. Le modèle XRD de Bi2S3 approuve bien la synthèse de la phase orthorhombique Bi2S3 (Fig. 1j). Les pics de diffraction de rGO/PAMAM/Bi2S3 (Fig. 1z) correspondent bien aux pics génériques de Bi2S3 dans la carte CPDS (n° 17-0320) et un pic à 2θ = 23,8897° pour rGO.

Images FE-SEM : (a) rGO, (b-1, b-2) Bi2S3, (c-1, c-2) rGO/PAMAM/Bi2S3, mappage : (d) Bi2S3, (e) rGO/PAMAM/ Bi2S3 et EDX : (g) Bi2S3 et (h) rGO/PAMAM/Bi2S3. Analyse XRD de (f) GO, (k) rGO, (j) Bi2S3, (z) rGO/PAMAM/Bi2S3.

Pour étudier les groupes fonctionnels de GO, PAMAM, rGO/PAMAM/Bi2S3, la spectroscopie FTIR a été utilisée (Fig. 2). La large bande d'absorption à environ 3400 cm−1 est attribuée à la vibration d'étirement des groupes –OH. Les spectres FTIR de GO confirment la présence d'un pic de vibration d'étirement C=O du carboxyle terminal à 1733 cm−1, vibrations C=C du cycle aromatique à 1622 cm−1, alcoxy C–O à 1063 cm−1, époxy C –O–C à 1229 cm−1 et C–OH tertiaire à 1383 cm−1. Ces résultats indiquent une oxydation réussie du graphite30. La bande à 1114 cm-a1 qui est attribuée au rGO/PAMAM/Bi2S3, montre l'interaction entre rGO et les nanobâtonnets de Bi2S331. Dans le spectre rGO FTIR, les diminutions des intensités maximales des groupes fonctionnels contenant de l'oxygène indiquent la réduction efficace de GO via la méthode hydrothermale.

Spectres FTIR de (a) GO, (b) PAMAM, (c) rGO/PAMAM/Bi2S3.

Affichage tridimensionnel des changements de réponse par rapport aux niveaux de facteur à l'aide du modèle CCD pour (a) rGO-Bi2S3 et (b) PAMAM-Bi2S3.

Le spectre FTIR du dendrimère G3 synthétisé a montré des pics d'absorption à 3354,7 cm-1 pour l'étirement NH de l'amine primaire et à 3270 cm-1 pour l'étirement NH de l'amine secondaire. Les pics des étirements C–H aliphatiques sont apparus à 2934,76 cm−1 et 2863,69 cm−1. Le pic à 1646,65 cm-1 appartenait à l'absorption d'amide carbonyle, tandis que l'étirement du noyau N – C a entraîné un pic à 1596,28 cm-1. Avec la synthèse réussie du dendrimère PAMAM G3, le pic de carbone carboxylique de C = O de l'ester aliphatique (1750–1735 cm-1) a disparu et la bande d'absorption liée à l'amide carbonyle est apparue à 1646,65 cm-132,33.

Afin d'augmenter la sensibilité des mesures de salbutamol, les paramètres efficaces liés au processus d'oxydation électrochimique ont été optimisés à l'aide de la méthode un à la fois. Dans la section suivante, l'optimisation de la préparation du modificateur et les conditions de mesure électrochimique sont décrites.

La méthode de conception expérimentale a été appliquée pour choisir la composition optimale des composants modificateurs. Pour mener à bien ce travail, une conception composite centrale et une modélisation de surface de réponse ont été utilisées. Trois facteurs affectant et interagissant, à savoir les quantités de Bi2S3, rGO et PAMAM, ont été pris en compte en fonction de notre expérience et de nos connaissances antérieures dans ce domaine. Le tableau S1 montre les niveaux codés et non codés au-dessus des facteurs. Pour assurer l'orthogonalité de la conception, le nombre de points étoiles (Na) et de points centraux (No) a été fixé à 6 et 6, respectivement. Par conséquent, le nombre total de traitements était égal à (2f. + 2 × f + No) = 20. Les 20 traitements de la matrice de conception ont été exécutés de manière aléatoire et le courant DPV pour une solution de 5 mmol/L [Fe(CN )6]3−/[Fe(CN)6]4− dans 0,1 mol/L de KCl a été considéré comme la réponse. Ensuite, le modèle de surface de réponse correspondant à CCD a été généré. Les termes contributifs du RSM ont été choisis en fonction de l'efficacité des termes d'interaction et de courbure présents dans le tableau d'analyse de la variance (ANOVA) du modèle. Les termes significatifs impliqués dans le modèle de surface de réponse codée sont présentés dans l'équation. 1. En utilisant l'équation codée et en considérant les coefficients des facteurs, l'impact relatif des facteurs peut être identifié.

où A, B et C sont respectivement les quantités de Bi2S3, rGO et PAMAM. Les paramètres statistiques du RSM, y compris le coefficient de détermination multiple (R2), R2 ajusté, R2 prédit et les valeurs statistiques F sont égaux à 0,929, 0,878 et 0,814 et 18,050, respectivement. De plus, l'absence de carrés moyens de fitness par rapport aux variances carrées moyennes de l'incertitude expérimentale pure est de 0,395, ce qui n'est pas significatif au niveau de probabilité p = 0,05. L'évaluation des statistiques du modèle indique qu'il s'adapte de manière significative aux données et que le modèle peut décrire la majorité des changements de réponse expérimentale (environ 88 %). De plus, en maximisant le RSM, une condition optimale avec des concentrations de Bi2S3, rGO et PAMAM de 2,248, 0,800, 0,200 (mg/mL) et la réponse théorique de 267,099 (µA) ont été prédites. Afin d'évaluer la précision de prédiction du modèle, trois essais ont été effectués dans les conditions optimales prévues et la moyenne de ces résultats était de 265,200 (µA). Ce résultat était en bon accord avec la réponse prédite dérivée par le modèle et a confirmé la fiabilité de la procédure d'optimisation. Certains tracés de surface de réponse 3D pour les deux variables, tandis que l'autre facteur est fixé à son niveau central, sont illustrés à la Fig. 3.

Dans toutes les déterminations voltamétriques, l'électrolyte de support joue un rôle important, de sorte que l'effet de son pH et de sa composition ont été optimisés. Pour atteindre cet objectif, à pH = 5, 0 et 0, 1 mol / L, des solutions de tampons KCl, acétate, Britton – Robinson (BR) et phosphate ont été testées (Fig. S1A). Étant donné que le courant de crête le plus élevé dans les expériences DPV appartenait à la solution tampon phosphate, il a été sélectionné comme le meilleur électrolyte de support pour les mesures électrochimiques. Ensuite, la DPV a été réalisée à une plage de pH (4,0 à 7,0) pour étudier l'effet du pH sur la réaction d'oxydation de SAL à rGO/PAMAM/Bi2S3/GCE. Comme le montre la figure S1B, le courant le plus important est apparu à pH = 5,0, ce qui a été considéré comme le pH optimal pour des études ultérieures.

Différents paramètres de la méthode DPV qui affectaient le signal électrochimique ont été optimisés en utilisant une solution de salbutamol à 4,00 × 102 nmol/L dans un tampon phosphate (0,1 mol/L, pH = 5,0). Ces paramètres comprennent l'amplitude d'impulsion, la durée d'impulsion, la fréquence de balayage, le temps de condition et le potentiel de condition. Comme le montre la Fig. S2A-E, les valeurs optimales pour l'amplitude d'impulsion, la durée d'impulsion, la fréquence de balayage, le temps de conditionnement et le potentiel de condition sont respectivement de 0,30 V, 5 ms, 0,03 V/s, 300 s et + 0,50 V.

La relation entre le potentiel de pic anodique (Epa) et le pH a été étudiée afin d'évaluer le nombre d'électrons impliqués dans le processus électronique. Comme indiqué sur la Fig. S3, il existe une bonne relation linéaire entre Ep et le pH avec une équation de Ep = − 0,0605 pH + 1,2556 (R2 = 0,9869). La valeur de la pente de -0,0605 (V/pH) est suffisamment proche de la valeur théorique de Nernst et indique que le nombre de protons et d'électrons échangés lors de l'oxydation du SAL est le même. Cette découverte suit des mécanismes précédemment proposés selon lesquels un seul électron et un seul proton sont impliqués dans l'électro-oxydation de SAL34.

L'efficacité électrochimique de l'électrode modifiée a été étudiée en utilisant la méthode CV et DPV. Dans la méthode de voltamétrie par application de potentiel, le courant est produit à la suite d'une réaction électrochimique, et le courant produit est mesuré en fonction du potentiel appliqué. Le schéma des phénomènes de détection est illustré à la Fig. S7. Pour atteindre cet objectif, les voltamogrammes CV et DPV d'une solution de salbutamol à 2,00 × 102 nmol/L dans un tampon phosphate (0,1 mol/L, pH = 5,0) ont été testés. Le pic d'oxydation du salbutamol résulte de la réaction anodique de son groupe hydroxyle phénolique35. Le mécanisme possible de l'oxydation du salbutamol est présenté à la Fig. 4. Comme le montre la Fig. 4, lors de la modification de GCE, GCE/Bi2S3, GCE/rGO, GCE/PAMAM/Bi2S3 et GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3, le signal ( sensibilité) a été significativement augmentée. Ces changements de sensibilité peuvent être attribués à la surface active plus élevée de l'électrode modifiée.

Mécanisme d'oxydation du salbutamol, CV (vitesse de balayage : 100 mV/s) et courbes DPV obtenues au GCE (a, a'), GCE/Bi2S3 (b, b'), GCE/PAMAM/Bi2S3 (c, c'), GCE/rGO (d, d'), GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 (f, f') dans une solution de phosphate à 0,1 mol/L (pH = 5,0) contenant 2,00 × 102 nmol/L de salbutamol.

La technique de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) est une méthode non destructive d'étude des propriétés électriques des matériaux. Par conséquent, le taux de transport d'électrons interfacial de l'électrode modifiée a été examiné par la technique EIS. Les tracés de Nyquist de GCE nu (a) GCE/Bi2S3 (b), GCE/rGO (c) et GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 (d) sont présentés à la Fig. 5. Toutes les expériences ont été réalisées avec 5,0 mmol/L [ Solution de Fe(CN)6]3− et [Fe(CN)6]4− dans du KCl aqueux à 0,1 mol/L comme sonde redox. Dans les tracés de Nyquist, le demi-cercle à haute fréquence est lié à la résistance de transfert de charge (Rct), et le comportement de capacité est indiqué via la partie linéaire à basse fréquence. La résistance série équivalente (ESR) est l'interception du demi-cercle avec l'axe réel. L'ESR se compose de la résistance de la solution d'électrolyte, de la résistance intrinsèque du matériau actif et de la résistance de contact du matériau actif d'interface et du collecteur de courant. La diminution du diamètre du demi-cercle du diagramme de Nyquist après modification de l'électrode indique que les nanomatériaux appliqués ont un effet considérable sur l'augmentation du taux de transfert d'électrons. En outre, la pente plus nette de la partie linéaire du tracé de Nyquist de l'électrode modifiée démontre une amélioration du processus de transfert d'électrons.

Diagrammes de Nyquist de (a) GCE nu, (b) GCE/Bi2S3, (c) GCE/rGO/Bi2S3, (d) GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 en présence de 5 mmol/L [Fe(CN)6] Solution de 3/[Fe(CN)6]4 dans 0,1 mol/L de KCl. Conditions : Edc : + 0,230 V vs Ag/AgCl ; Eca : 5 mV ; gamme de fréquence : 0,01–5 × 104 Hz.

La surface active des électrodes modifiées a été calculée à l'aide de l'équation de Randles – Sevcik (équation 2).

où Ip est le courant de crête (A), n est le nombre d'électrons transférés, A est la surface (cm2), D est le coefficient de diffusion (cm2/s), ν la vitesse de balayage potentiel (mV/s), et C est la concentration des réactifs (mol/cm3). Afin d'étudier la surface active des électrodes, des expériences CV ont été réalisées en utilisant une solution 5 mM de [Fe(CN)6]3−/[Fe(CN)6]4− dans une solution aqueuse de 0,1 mol/L de KCl à un potentiel plage de fréquence de balayage de 10 à 100 mV / s (Fig. 6a à d). Le tracé du courant de crête par rapport à la racine carrée de la vitesse de balayage nous aide à mesurer la surface active des électrodes. La surface active calculée pour GCE nu, GCE/Bi2S3, GCE/rGO/Bi2S3 et GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 est de 0,0464, 0,0580, 0,159 et 0,231 cm2, respectivement. Les résultats montrent clairement l'effet significatif du nanomatériau rGO et PAMAM/Bi2S3 dans l'augmentation de la surface active (jusqu'à cinq fois par rapport au GCE nu) de l'électrode et, par conséquent, sa sensibilité.

Voltammogrammes cycliques de (a) GCE nu, (b) Bi2S3/GCE, (c) GCE/rGO/Bi2S3 et (d) GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 dans 5 mmol/L [Fe(CN)6]3/ Solution de [Fe(CN)6]4 dans du KCl aqueux à 0,1 mol/L à une plage de vitesse de balayage potentielle de 10 à 100 mV/s, (e) GCE nu et (f) GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 dans 0,1 mol /L de solution de phosphate (pH = 5,0) contenant 5,00 × 102 µmol/L de salbutamol pour le GCE nu et 6,00 × 102 nmol/L pour le GCE modifié à des vitesses de balayage de 10, 20, 30, 40, 50, 60 et 70 mV/s . Graphiques du potentiel de pointe par rapport à ln v (g) GCE nu, (h) GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3. (i) Variation des courants de crête par rapport à la racine carrée de la vitesse de balayage pour GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3.

L'étude cinétique du capteur proposé a été étudiée à l'aide d'une analyse de voltamétrie cyclique. La figure 6 représentait des voltammogrammes cycliques de 6,00 × 102 nmol/L de salbutamol dans du tampon phosphate (0,1 mol/L, pH = 5,0) sur rGO, PAMAM/Bi2S3, GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 et GCE nu (5,00 × 102 µmol/ L salbutamol dans du PBS) à différentes vitesses de balayage. Les résultats indiquent que le courant d'oxydation du salbutamol a augmenté de manière linéaire en augmentant la vitesse de balayage. Comme le montre la figure 6i, les courants de crête sont liés de manière linéaire à la racine carrée de la vitesse de balayage, ce qui confirme que le processus d'oxydation est contrôlé par diffusion. De plus, l'absence de tout pic de réduction pour le salbutamol indique que le processus d'oxydation est irréversible.

L'équation de Laviron exprime la relation entre Epa et v pour une réaction électrochimique irréversible36. Par conséquent, il est utilisé pour calculer le coefficient de transfert d'électrons (α) et la constante de vitesse de la réaction électrochimique (Ks) (Eq. 3).

où Epa, Ks, E0, n, ν, F, R et T sont le potentiel de crête anodique, la constante de vitesse de transfert d'électrons hétérogène de surface (s−l), le potentiel redox formel, le nombre d'électrons transférés, la vitesse de balayage (V/s) , Constante de Faraday (96 485 C/mol), Constante universelle des gaz (8,314 J/K/mol) et Température (298,15 K), respectivement. Considérant n = 1, la valeur de α a été déterminée en utilisant la valeur de pente de Epa vs. ln ν plot. Le E0, qui a été obtenu à partir de l'ordonnée à l'origine du tracé, et α a été appliqué dans l'Eq. 4 pour estimer les valeurs de Ks à 0,05 Vs-1 (ΔE = Epa \(-\) E0).

Les valeurs Ks obtenues sont 0,0099 s−1 et 0,1294 s−1, et les valeurs α obtenues sont 0,0036 et 0,0.6113 pour GCE nu, GCE/ PAMAM/Bi2S3, GCE/rGO et GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3, respectivement . Les résultats indiquent qu'en modifiant la surface de l'électrode, le taux de transfert d'électrons pour l'oxydation du salbutamol augmente de manière significative.

La courbe d'étalonnage a été obtenue en utilisant le courant de crête (µA) de SAL dans l'analyse DPV. Différentes concentrations de SAL de 5,00 à 6,00 × 102 nmol/L ont été examinées dans des conditions optimales. Le tracé des concentrations ip vs SAL est linéaire (y = 0,187x + 24,513, R2 = 0,9928) (Fig. 7). Afin de comparer la sensibilité du capteur GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 au GCE nu, la courbe d'étalonnage a été tracée pour le salbutamol (7,00 × 10–6,00 × 102 µmol/L) en utilisant du GCE nu. Comme le montre la figure 7, le nouveau nanocomposite a augmenté la sensibilité de l'électrode d'environ 35 fois (de 0,005 à 0,187 µA µM−1 cm−2). L'écart type pour 5 mesures à blanc répétées était de (0,0994) ; la limite de détection (LOD = 3sb/m) était donc de 1,62 nmol/L, ce qui est satisfaisant.

(a) Voltammogrammes DPV du capteur GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 dans un tampon phosphate 0,10 mol/L (pH 5,0) contenant différentes concentrations de SAL (5,00–6,00 × 102 nmol/L). Graphique du courant DPV par rapport aux concentrations de salbutamol (b) GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 (5,00–6,00 × 102 nmol/L) et (c) GCE (7,00 × 10–6,00 × 102 μmol/L).

Afin d'évaluer la sélectivité du capteur GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 pour la détermination du salbutamol, l'interférence de composés courants tels que l'acide ascorbique, l'urée, le glucose, la L-cystéine, l'amidon et deux médicaments, le diltiazem et la dexaméthasone ont été examinés dans deux rapports de 1:10 et 1:5. Le résultat expérimental en présence de 1:10 (salbutamol : L-cystéine, glucose, amidon, diltiazem et dexaméthasone) et 1:5 (salbutamol : acide ascorbique, urée) avait une erreur d'environ ou moins de 5 %. Les réponses DPV résultantes illustrées à la Fig. S4 indiquent une sélectivité acceptable et aucune interférence significative dans les performances du capteur GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 pour la détermination du salbutamol.

La répétabilité et la reproductibilité sont les caractéristiques essentielles d'un capteur électrochimique qui démontre sa praticité pour les mesures en temps réel. La répétabilité du capteur généré a été déterminée par des analyses DPV intra-journalières (n = 5) et inter-journalières (n = 3). Cette étude a été réalisée à deux concentrations différentes de SAL (5,00 × 10 et 3,00 × 102 nmol/L). L'écart-type relatif (% RSD) pour l'analyse intra-journalière était de 2,61 % et 1,52 %, respectivement. De plus, les RSD des mesures inter-journalières étaient de 2,85 % et 3,50 %, respectivement. Ces résultats indiquent que la précision du capteur GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 est acceptable et convient aux mesures électrochimiques SAL. Afin d'étudier la reproductibilité, trois solutions de modificateurs dispersées ont été préparées à des valeurs optimales, puis la réponse électrochimique des trois électrodes modifiées a été évaluée à 3,00 × 102 nmol/L de SAL. L'écart type relatif de 1,88 % indique une bonne reproductibilité du capteur. La stabilité à long terme du capteur a été déterminée en mesurant le signal du capteur dans un intervalle de temps de dix jours et en calculant le rapport du signal à différents jours au signal de l'électrode fraîche. L'électrode modifiée a été conservée au réfrigérateur après préparation. Les investigations ont montré que le capteur était bien stable après dix jours (Fig. S5).

Pour caractériser les performances et le potentiel du capteur GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3, une détection de salbutamol dans des échantillons d'aliments, de lait et de saucisse a été réalisée. Les aliments pour animaux et les aliments pour volaille ont été traités comme l'échantillon réel via la procédure rapportée par Noosang et al. 37. Le processus d'extraction est résumé comme suit : 1,0 g de l'aliment distribué dans 5,0 mL d'acide phosphorique à 0,20 mol/l et de méthanol (1:4 v/v) a été soniqué pendant 15 min, puis centrifugé à 5 000 tr/min pendant 10 min. . Le surnageant a été séparé et 1,0 mL de HCl 0,1 mol/L a été ajouté à la solution pour éliminer les protéines, suivi d'une centrifugation à 5000 tr/min pendant 10 min. Le surnageant a été séché à 60 °C, puis le résidu a été dissous dans 3,0 mL de PBS (0,1 mol/L, pH = 5,0) avant les déterminations électrochimiques. Afin d'évaluer la précision des mesures, diverses concentrations de SAL (3,00 × 10 et 10,0 × 10 nmol/L) ont été dopées dans l'échantillon réel et suivies d'une détermination de SAL dans l'échantillon. Le lait, y compris diverses quantités de salbutamol, a été analysé. L'échantillon de lait a été préparé selon la méthode présentée par Xia Niu et al. Dans ce but; le lait a été dilué 10 fois dans une solution de phosphate 0,1 mol/L (pH = 5,0), puis centrifugé 10 min à 10 000 tr/min. Le surnageant a été utilisé pour l'analyse38. La méthode de préparation des échantillons de saucisse a été utilisée avec les mesures suivantes. 1 g d'échantillon de saucisse écrasée a été conservé dans 30 mL de HCl 0,01 mol/L à température ambiante pendant une nuit. Après élimination des précipités, le surnageant, y compris la certaine quantité de salbutamol enrichie, a été utilisé pour l'analyse électrochimique39. Comme le montre le tableau 1, les récupérations obtenues sont satisfaisantes et indiquent que le capteur proposé est adapté à la mesure du salbutamol dans des échantillons réels.

Les paramètres analytiques de la détermination du SAL à l'aide du capteur GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 ont été comparés aux travaux précédemment rapportés (tableau 2). Le capteur proposé a une plage de concentration linéaire jusqu'à deux ordres de grandeur, ce qui est tout à fait satisfaisant et supérieur aux autres. Le LOD est inférieur (meilleur) ou presque similaire à ceux rapportés par d'autres. De plus, la précision (RSD) de notre capteur est supérieure aux autres. Par conséquent, le capteur généré est rentable et fiable dans ses potentiels. De plus, il a une plage linéaire acceptable et une haute précision. Par conséquent, il est proposé pour la détermination du SAL en raison de ses bonnes performances.

Ethylènediamine (EDA), acrylate de méthyle, poudre de graphite, nitrate de sodium, acide sulfurique (95%), permanganate de potassium, peroxyde d'hydrogène (30%), acide chlorhydrique, thioacétamide, nitrate de bismuth (III) pentahydraté, acide nitrique, diméthylformamide (99% ), acide acétique (99,5%), hydroxyde de sodium (96%), oxyde d'aluminium (5 µm), méthanol, chlorure de potassium, acide phosphorique (85%), acide borique (99,5%), K4[Fe(CN)6] ·3H2O et K2[Fe(CN)6] ont été fournis par la société Merck (Darmstadt, Allemagne). Le salbutamol était fourni par la société pharmaceutique Darou-Pakhsh (Téhéran, Iran). Les aliments pour animaux et volailles ont été achetés à l'usine d'aliments pour bétail et volaille de Tavanmehr (Kerman, Iran). Le lait et les saucisses ont été achetés dans une épicerie locale.

Les mesures voltamétriques ont été prises à l'aide de l'appareil électrochimique PalmSens3 fourni avec le logiciel PSTrace 4.8 (PalmSens Instrument BV, Houten, Pays-Bas). L'instrument dispose d'un système à trois électrodes contenant une modification GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 (électrode de travail), une électrode Pt (contre-électrode) et une électrode 3,0 mol/L Ag/AgCl (référence). Les ajustements de pH ont été effectués par un pH-mètre numérique Bp3001 (Trans Instruments, Singapour). Le bain à ultrasons RK-255-H (Bandelin Electronic. Co, Berlin, Allemagne) a été utilisé pour disperser et homogénéiser les constituants des mélanges. Le lyophilisateur LYOQUEST-85 (Telstar, Espagne) a été utilisé pour sécher le rGO synthétisé. Le Bi2S3 synthétisé a été séché dans l'étuve à vide FTVO-702 (Sci Finetech, Séoul, Corée). La morphologie du nanocomposite a été spécifiée à l'aide de la microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM) (sigma VP, ZEISS, Allemagne), EDX (Oxford Instruments plc, Tubney Woods, Abingdon, Royaume-Uni), FT-IR (TENSOR 27, Brucker, Allemagne) instruments. La version 11.0 du logiciel Design-Expert a été appliquée pour contrôler les conditions expérimentales, la modélisation de la surface de réponse et l'optimisation.

Les quantités optimales de rGO, PAMAM et Bi2S3 ont été utilisées comme modificateurs pour améliorer les performances électrochimiques du capteur. Dans les sections suivantes, leurs méthodes de synthèse sont décrites.

La méthode de Hummer modifiée a été utilisée pour synthétiser GO45. En bref, 1,0 g de poudre de graphite et 0,50 g de NaNO3 ont été mélangés dans 23,0 ml de H2SO4 à 95 % placés sur un bain de glace et agités pendant 30 min. Ensuite, 3,0 g de KMnO4 ont été ajoutés progressivement pour empêcher la forte élévation de température. Le mélange a été agité pendant une nuit à 35°C. suivi de la procédure d'agitation, 60,0 ml d'eau DI ont été ajoutés et le mélange a été agité à nouveau à 35 ° C pendant 14 h. Après une baisse de température à un niveau de refroidissement de la température ambiante, 500 ml d'eau DI ont été ajoutés, suivis de 7,00 ml de peroxyde d'hydrogène à 30 % (H2O2). Le précipité a été séparé et lavé avec une solution de HCl à 1,0 mol/L, puis le processus de lavage s'est poursuivi plusieurs fois avec de l'eau ultrapure. Les poudres GO sont obtenues après séchage du produit final sous vide à 50 °C pendant 6 h.

L'oxyde de graphène réduit a été synthétisé selon les travaux rapportés de Xiaoyi Yan et al.21. La procédure de synthèse était la suivante : 30,0 mL de solution aqueuse comprenant 15 mg de GO et 12 mmol/L de thioacétamide (TAA) ont été transférés dans un autoclave en acier inoxydable revêtu de téflon de 40 mL. La réaction est terminée après 8h à 160°C. Enfin, le rGO obtenu a été centrifugé, lavé avec de l'eau ultra pure et séché dans un lyophilisateur sous vide.

Le Bi2S3 a été synthétisé selon la méthode proposée par Yang Zhao et al.46. Dans cette méthode, Bi(NO3)3 a été hydrolysé par sonochimie en présence de TAA. Afin de mettre en œuvre cette méthode, 75 mg de TAA ont été dispersés dans 40,0 mL d'eau distillée par sonication. Ensuite, 5,00 mL d'une solution de HNO3 à 0,40 mol/L contenant 0,243 g de Bi(NO3)3.5H2O ont été progressivement ajoutés au mélange de TAA, et la suspension résultante a été agitée pendant une heure. Ensuite, le précipité a été dispersé dans 20,0 mL de DMF et transféré dans un autoclave en acier inoxydable pendant 2 h à 150 °C. Enfin, le produit synthétisé a été lavé plusieurs fois avec de l'eau distillée et séché dans une étuve à vide à 60°C.

Les dendrimères PAMAM ont été synthétisés en utilisant la méthode rapportée par Janek Peterson et al.47. Fondamentalement, la procédure contient deux étapes consécutives : la synthèse de dendrimères PAMAM à terminaison ester (demi-génération) et la synthèse de dendrimères PAMAM à terminaison amino (génération complète). L'ajout de Michael d'une amine primaire à l'acrylate de méthyle et l'amidation du multiset généré ont été répétés plusieurs fois pour produire des générations plus élevées de molécules dendritiques PAMAM (Fig. S6).

Avant modification, l'électrode de carbone vitreux (GCE) a été polie avec une suspension Al2O3 (5 µm) supportée sur un morceau de tissu, puis elle a été rincée avec de l'eau distillée et séchée à température ambiante. Afin de préparer le modificateur, les valeurs optimisées du PAMAM et du Bi2S3 ont été mélangées dans un bain à ultrasons pendant 30 min, puis une certaine quantité de rGO a été ajoutée à la solution PAMAM/Bi2S3 et mélangée dans un bain à ultrasons pendant 30 min. Les valeurs optimales pour les modificateurs ont été obtenues en utilisant la méthode de conception expérimentale. Ensuite, 8 µL de la solution dispersée de rGO/PAMAM/Bi2S3 ont été déposés sur la surface de GCE. Le GCE/rGO/PAMAM/Bi2S3 a été séché dans une étuve à 40°C. A des fins de comparaison, le GCE/rGO et le GCE/Bi2S3 ont été préparés de manière similaire. Les électrodes modifiées ont été utilisées pour des mesures électrochimiques.

La détermination électrochimique du salbutamol a été effectuée à l'aide de la méthode de voltampérométrie pulsée différentielle (DPV) en tant que méthode électrochimique très sensible. Les différents paramètres de la méthode de voltamétrie pulsée différentielle ont été optimisés pour les mesures de salbutamol, et toutes les mesures ont été effectuées dans des conditions optimales. Pour le prétraitement, le potentiel de 0,50 V a été appliqué à l'électrode pendant 300 s sous agitation. Après 5 s de temps d'équilibre, la gamme de potentiel + 0,20 à + 1,10 V (vs. Ag/AgCl) a été appliquée. L'amplitude d'impulsion, la durée d'impulsion et la fréquence de balayage étaient respectivement de 0,30 V, 5 ms et 0,03 V/s. Diverses concentrations de salbutamol ont été fournies dans un tampon phosphate à 0,1 mol/L (pH = 5,0) comme électrolyte de support.

Ce travail présente un nouveau nanocomposite à base de dendrimère pour la fabrication du capteur dans la détermination du salbutamol. La combinaison de nanomatériaux rGO, PAMAM et Bi2S3 dans la construction du capteur a été utilisée. Le rapport de composition le plus approprié des composants nanocomposites pour la fabrication de capteurs en tenant compte de l'influence des interactions entre ces paramètres a été déterminé à l'aide du RSM. En utilisant RSM, les conditions optimales pour ces facteurs ont été théoriquement prédites et cela a été approuvé avec succès par des tests expérimentaux. Selon la structure dendrimère du PAMAM, il a été utilisé dans la préparation du nanocomposite afin d'augmenter la surface active du capteur. Des preuves expérimentales montrent que la surface active du capteur modifié (0,2310 cm2) est cinq fois supérieure à celle du GCE nu (0,0464 cm2). La présence d'agonistes tels que le salbutamol dans les aliments pour animaux et volailles peut provoquer une intoxication aiguë chez l'homme, avec des symptômes de palpitations cardiaques, de vomissements, de maux de tête, de tremblements musculaires, de douleurs musculaires, de nervosité, de vertiges, de frissons, de fièvre et de nausées. Par conséquent, le développement d'un capteur pour une détermination rapide, sensible et précise de ce médicament est très important. Ce capteur a une plage linéaire, RSD, LOD et une sensibilité de 5,00 à 6,00 × 102 nmol/L, 2,61 % et 1,52 %, 1,62 nmol/L et 0,187 µA µM−1 cm−2, respectivement compatibles avec ou mieux que les autres méthodes. L'application du capteur proposé pour l'analyse d'échantillons réels indique qu'il est bien adapté (très précis et précis) pour la détermination du salbutamol dans les aliments pour le bétail et la volaille, le lait et les échantillons de saucisses. La complexité des échantillons de produits carnés et, par conséquent, le processus plus difficile de préparation et d'extraction de l'analyte, peuvent affecter la réponse du capteur dans ces échantillons réels. Par conséquent, la légère différence de performance du capteur dans l'échantillon de saucisse peut être attribuée à la complexité des produits carnés.

Les ensembles de données générés et analysés au cours de la présente étude sont disponibles via ce lien : https://drive.google.com/file/d/1h3A0r5_cU5-xDeQ4O8DjVKon-O23B48K/view?usp=share_link.

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Les auteurs souhaitent dédier cet article à feu Alireza Afzalipour et à son épouse Fakhereh Saba, les fondateurs de l'Université de Kerman.

Département de chimie, Université Shahid Bahonar de Kerman, PO Box 76175-133, Kerman, Iran

Mahshid Padash, Shahab Maghsoudi et Mehdi Mousavi

Société des jeunes chercheurs, Université Shahid Bahonar de Kerman, PO Box 76175-133, Kerman, Iran

Mahshid Padach

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Le travail expérimental a été effectué par MP. L'examen des résultats et la rédaction du manuscrit ont été effectués par tous les auteurs.

Correspondance à Shahab Maghsoudi.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Padash, M., Maghsoudi, S. & Mousavi, M. Développement de nanotiges de sulfure de bismuth et de dendrimère de polyamidoamine sur de l'oxyde de graphène réduit en tant que nanomatériaux d'électrode pour la détermination électrochimique du salbutamol. Sci Rep 13, 8902 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36028-0

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Reçu : 12 mars 2023

Accepté : 27 mai 2023

Publié: 01 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-36028-0

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