شیمى کاربردى روز

شیمى کاربردى روز

سنجش نوین فتوالکتروشیمیایی داروی لوودوپا با فوتوالکترود BiVO4‌ آلایش شده با تنگستن:‌‌‌ بهبود عملکرد با مهندسی خواص سطحی و فیزیکی

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان
1 گروه شیمی، دانشکده علوم پایه،‌ دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار،‌ ایران
2 هسته تحقیقاتی فوتوالکترومواد پیشرفته، دانشکده علوم پایه، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار،‌ ایران
3 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه،‌ دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار،‌ ایران
چکیده
شناسایی و اندازه گیری داروی لوودوپا، که بعنوان یک داروی بسیار مهم در درمان بیماری پارکینسون شناخته می شود، بسیار حائز اهمیت است. در این مطالعه یک حسگر فوتوالکتروشیمیایی بر پایه فوتوالکترود BiVO4 آلایش شده با عنصر تنگستن برای سنجش لوودوپا معرفی شده است. این مطالعه برای اولین بار نشان داد که انتخاب نوع پیش‌ماده تنگستن می‌تواند نقش کلیدی در بهبود عملکرد فوتوالکترودهای BiVO4 آلایش شده و اندازه‌گیری دقیق لوودوپا نمونه‌های زیستی و دارویی ایفا کند. از این رو ، دو نوع پیش ماده مختلف یعنی پودر خالص تنگستن و دیگری نمک سدیم تنگستات برای سنتز دو نوع فوتوالکترود آلایش شده با تنگستن استفاده گردید. اثر نوع پیش‌ماده تنگستن بر ویژگی‌های سطحی و کارایی حسگری این فوتوالکترودها در سنجش داروی لوودوپا با استفاده از تکنیک های امپدانس الکتروشیمیایی و کرنوامپرومتریک تحت تابش نور شبیه ساز خورشید بررسی شد. ویژگی‌های سطحی و نوری فوتوالکترودها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، کانفوکال(بررسی زبری سطح) ، زاویه تماس آب و طیف‌سنجی UV-Vis مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که نمونه آلایش شده با استفاده از پودر خالص تنگستن دارای تخلخل بیشتر، زبری بالاتر، آب‌دوستی بهتر و جذب نوری بالاتر است، که موجب افزایش سطح فعال و کارایی بالاتر در واکنش‌های فتوالکتروشیمیایی می‌شود. علاوه بر این ، مشخص شد که این نمونه دارای حساسیت بالاتر، حد تشخیص پایین‌تر و دامنه غلظتی گسترده‌تر است. یافته‌های این تحقیق نوآوری در طراحی فوتوالکترودهای حساس و کاربردی برای سنجش داروهای زیستی و دارویی را برجسته می‌سازد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Novel photoelectrochemical sensing of Levodopa drug with W-doped BiVO4 photoelectrode: Performance improvement by engineering surface and physical properties

نویسندگان English

Mina-Sadat Koshki 1 2
Mehdi Baghayeri 1 2
Sirous Salemi 1
Mohammad Zirak 2 3
1 Department of Chemistry, Faculty of Basic Sciences, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran
2 Advanced Photoelectromaterials Research Core, Faculty of Basic Sciences, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran
3 Department of Physics, Faculty of Basic Sciences, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran
چکیده English

The detection and quantification of levodopa a critically important drug in the treatment of Parkinson’s disease is of significant clinical and analytical interest. In this study, a photoelectrochemical sensor based on tungsten-doped BiVO4 photoelectrodes is introduced for the sensitive determination of levodopa. For the first time, this work demonstrates that the choice of tungsten precursor plays a pivotal role in enhancing the performance of W-doped BiVO4 photoelectrodes and enables accurate levodopa detection in biological and pharmaceutical samples. Two distinct tungsten precursors pure tungsten powder and sodium tungstate salt were employed to synthesize two differently doped BiVO4 photoelectrodes. The influence of the tungsten precursor type on the surface characteristics and sensing performance of the photoelectrodes was systematically evaluated using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and chronoamperometry under simulated solar irradiation. Surface morphology, roughness, wettability, and optical properties were characterized via scanning electron microscopy (SEM), confocal laser scanning microscopy (for surface roughness analysis), water contact angle measurements, and UV-Vis spectroscopy. Results revealed that the photoelectrode synthesized using pure tungsten powder exhibited higher porosity, increased surface roughness, enhanced hydrophilicity, and superior light absorption collectively contributing to a larger electroactive surface area and improved photoelectrochemical activity. Furthermore, this electrode demonstrated higher sensitivity, a lower limit of detection, and a broader linear concentration range for levodopa. These findings highlight an innovative strategy for the rational design of high-performance, practical photoelectrodes tailored for the detection of biologically and pharmaceutically relevant analytes.

کلیدواژه‌ها English

Bismuth vanadate
doping
Parkinson's
levodopa
photoelectrochemical
tungsten (W)
[1] Nigović, B. (2023). New approach on sensitive analysis of pimavanserin, levodopa and entacapone based on synergistic effect of graphene nanoplatelets and graphitized carbon nanotubes in functionalized polymer matrix. Electrochimica acta439, 141700.
[2] Beitollahi, H., Safaei, M., & Tajik, S. (2020). Electrochemical deduction of levodopa by utilizing modified electrodes: A review. Microchemical Journal152, 104287.
[3] Riederer, P., Strobel, S., Nagatsu, T., Watanabe, H., Chen, X., Löschmann, P. A., ... & Monoranu, C. M. (2025). Levodopa treatment: impacts and mechanisms throughout Parkinson’s disease progression: P. Riederer et al. Journal of Neural Transmission132(6), 743-779.
[4] Subramanian, V. B., Konduru, N., Katari, N. K., Dongala, T., & Gundla, R. (2020). A simple high‐performance liquid chromatography method development for carbidopa and levodopa impurities: Evaluation of risk assessment before method validation by quality by design approach. Separation Science Plus3(11-12), 530-539.
[5] Nakmode, D. D., Youssef, S. H., Das, S., Song, Y., & Garg, S. (2025). Analytical method for simultaneous quantification of levodopa and carbidopa in the injectable oleogel formulation by HPLC. BMC chemistry19(1), 43.
[6] Abdel-Ghany, M. F., Hussein, L. A., Ayad, M. F., & Youssef, M. M. (2017). Investigation of different spectrophotometric and chemometric methods for determination of entacapone, levodopa and carbidopa in ternary mixture. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy171, 236-245.
[7] Lettieri, M., Spinelli, M., Caponi, L., Scarano, S., Palladino, P., Amoresano, A., & Minunni, M. (2023). Sensing of catecholamine in human urine using a simple colorimetric assay based on direct melanochrome and indolequinone formation. Sensors23(8), 3971.
[8] He, W. W., Zhou, X. W., & Lu, J. Q. (2007). Capillary electrophoresis-chemiluminecence detection of levodopa and benserazide in Medopar tablet. Chinese Chemical Letters18(1), 91-93.
[9] Yue, H. Y., Song, S. S., Guo, X. R., Huang, S., Gao, X., Wang, Z., ... & Wu, P. F. (2019). Three-dimensional ZnO nanosheet spheres/graphene foam for electrochemical determination of levodopa in the presence of uric acid. Journal of Electroanalytical Chemistry838, 142-147.
[10] Wang, T., Jafar, N. N., Al-Rihaymee, A. M. A., Alhameedi, D. Y., Rasen, F. A., Hashim, F. S., ... & Alawadi, A. H. (2024). Highly efficient electrocatalytic oxidation of levodopa as a Parkinson therapeutic drug based on modified screen-printed electrode. Heliyon10(14).
[11] Skruodiene, M., Kovger-Jarosevic, J., Savickaja, I., Juodkazyte, J., & Petruleviciene, M. (2025). Feasibility Study of Photoelectrochemical Sensing of Glucose and Urea Using BiVO4 and BiVO4/BiOCl Photoanodes. Sensors25(4), 1260.
[12] Liu, W., Yang, M., Zhao, J., Zhang, Y., Li, L., Wang, J., ... & Kraatz, H. B. (2026). Bifunctional MoS2-BiVO4 heterojunction boosts photoelectrochemical and colorimetric dual-mode sialic acid sensing. Talanta296, 128458.
[13] Cui, Y., Zhang, Y., Wang, L., & Hao, Y. (2025). Recent advances in hydrogel-promoted photoelectrochemical sensors. Biosensors15(8), 524.
[14] Feng, J., Li, F., Qian, Y., Sun, X., Fan, D., Wang, H., ... & Wei, Q. (2020). Mo-doped porous BiVO4/Bi2S3 nanoarray to enhance photoelectrochemical efficiency for quantitative detection of 17β-estradiol. Sensors and Actuators B: Chemical305, 127443.
[15] Warrier, V. G., Devasia, J., Nizam, A., VL, V., G, N., & Nagendra, G. (2024). Facile combustion synthesis of highly active Mo doped BiVO4 for photocatalytic dye degradation, photo-oxidation of alcohols, antifungal and antioxidant activities. International Journal of Environmental Analytical Chemistry104(14), 3314-3333.
[16] Shakir, I. (2024). Tungsten-doped BiVO4 and its composite with g-C3N4 for enhanced photocatalytic applications. Optical Materials150, 115214.
[17] Tayebi, M., & Lee, B. K. (2021). The effects of W/Mo-co-doped BiVO4 photoanodes for improving photoelectrochemical water splitting performance. Catalysis Today361, 183-190.
[18] Harris‐Lee, T. R., Surman, M. K., Straiton, A. J., Marken, F., & Johnson, A. L. (2025). Precursor Development and Aerosol‐Assisted Chemical Vapour Deposition for BiVO4 and W‐Doped BiVO4 Photoanodes: A Universal Ligand Approach. ChemSusChem18(4), e202401452.
[19] Koshki, M. S., Zirak, M., Kazemi, M., Alehdaghi, H., Baghayeri, M., Nodehi, M., & Rabiee, N. (2024). Molybdenum-doped BiVO4 thin films: Facile preparation via hot-spin coating method and the relationship between surface statistical parameters and photoelectrochemical activity. Chemosphere346, 140579.
[20] Alnaimi, A., Al-Hamry, A., Makableh, Y., Adiraju, A., & Kanoun, O. (2022). Gold nanoparticles-MWCNT based aptasensor for early diagnosis of prostate cancer. Biosensors12(12), 1130.
[21] Haunsbhavi, K., Barthwal, S., Shivaramu, N. J., Shetty, H., Alagarasan, D., AlFaify, S., ... & Angadi, B. (2024). Effect of doping (Sn and In) on CdS thin films for ammonia sensing at room temperature. Sensors and Actuators A: Physical376, 115567.