Green Synthesized Gold Nanoparticles Using Olive Leaf Extract as an Electrochemical Sensor for Paracetamol and Aspirin in Pharmaceutical and Biological Samples

In der Welt der modernen Medizin verlassen sich Ärzte und Apotheker auf präzise Messungen, um sicherzustellen, dass lebensrettende Medikamente in den richtigen Mengen und frei von schädlichen Verunreinigungen vorhanden sind. Um dies zu erreichen, nutzen Wissenschaftler analytische Werkzeuge, die in der Lage sind, kleinste Spuren von Chemikalien in komplexen Gemischen wie Blut, Urin oder Pillenformulierungen nachzuweisen. Seit Jahrzehnten ist die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie – eine Technik, bei der Chemikalien unter Verwendung leistungsstarker Pumpen und organischer Lösungsmittel getrennt werden – der Goldstandard für diese Messungen. Obwohl diese Methode effektiv ist, erzeugt sie oft erhebliche Mengen an chemischem Abfall und erfordert teure Ausrüstung. In den letzten Jahren hat in der Fachwelt der „grünen Chemie“, die danach strebt, diese notwendigen Analysen mit weniger Energie, weniger toxischen Materialien und nachhaltigeren Ressourcen durchzuführen, eine leisere Revolution stattgefunden. Das Ziel ist es, Sensoren zu entwickeln, die nicht nur genau, sondern auch schonend für die Umwelt sind, und damit den Akt der Messung selbst in eine Praxis zu verwandeln, die den Planeten schützt.

Dieser Wandel hin zur Nachhaltigkeit bildet den Hintergrund für eine neue Studie, die von Forschern der Universität Najran und der Universität Tabuk in Saudi-Arabien durchgeführt wurde. Das Team setzte sich zum Ziel, einen hochempfindlichen elektronischen Sensor zu bauen, der in der Lage ist, zwei der weltweit am häufigsten verwendeten Schmerzmittel zu detektieren: Paracetamol und Aspirin. Anstatt der harschen, toxischen Chemikalien, die typischerweise für die Herstellung der winzigen Metallpartikel erforderlich sind, die diese Sensoren funktionsfähig machen, wandten sich die Wissenschaftler der Natur zu. Sie ernteten frische Olivenblätter, ein in ihrer Region reichlich vorhandenes Ernteabfallprodukt, und verwendeten einen Extrakt aus diesen Blättern, um Goldnanopartikel herzustellen. Diese Nanopartikel sind mikroskopisch kleine Kugeln aus Gold, so klein, dass Tausende davon auf die Spitze einer Stecknadel passen würden, und sie fungieren als leistungsstarke Verstärker für elektrische Signale. Durch die Verwendung des Olivenblattextrakts sowohl als Reduktionsmittel, um Goldionen in festes Metall zu verwandeln, als auch als Stabilisierungsmittel, um das Verklumpen der Partikel zu verhindern, schufen die Forscher einen Sensor, der sowohl effektiv als auch umweltfreundlich ist.

Der Prozess begann mit der sorgfältigen Vorbereitung der Olivenblätter. Die Forscher sammelten frische Blätter von ausgewachsenen Bäumen in der Aljofe-Region, wuschen sie gründlich und trockneten sie im Schatten, um ihre natürlichen chemischen Eigenschaften zu bewahren. Anschließend mahlten sie die getrockneten Blätter zu einem feinen Pulver und kochten sie in Wasser auf, um einen reichhaltigen, bräunlich-gelben Flüssigkeitsextrakt zu gewinnen. Dieser Extrakt ist vollgepackt mit natürlichen Verbindungen wie Phenolen und Flavonoiden, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, Elektronen abzugeben. Als dieser Extrakt mit einer Lösung, die Goldsalze enthielt, vermischt und erhitzt wurde, geschah eine bemerkenswerte Transformation. Die Goldionen in der Lösung, die anfangs blassgelb waren, färbten sich schnell tief weinrot. Dieser Farbwechsel signalisierte, dass die Goldionen erfolgreich zu festen Nanopartikeln reduziert worden waren – ein Prozess, der vollständig durch die natürlichen Chemikalien in den Olivenblättern vorangetrieben wurde. Die resultierenden Nanopartikel waren sphärisch, mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 19 [nm], und sie blieben in der Lösung stabil, ohne zu verklumpen, was der natürlichen Beschichtung durch den Blattextrakt zu verdanken war.

Um zu testen, ob diese aus der Natur gewonnenen Nanopartikel als Sensor fungieren könnten, brachten die Forscher sie auf einer glatten Glaskohlenstoffelektrode auf, einem Standardwerkzeug in der elektrochemischen Analyse. Dann verglichen sie diesen neuen Sensor mit zwei anderen Versionen: einer, die mit Nanopartikeln hergestellt wurde, welche mittels traditioneller chemischer Methoden unter Verwendung von synthetischem Citrat erzeugt wurden, und einer bloßen Elektrode ohne Nanopartikel. Als sie Paracetamol und Aspirin dem Sensor aussetzten, waren die Ergebnisse beeindruckend. Der Olivenblatt-Sensor konnte beide Medikamente gleichzeitig mit hoher Präzision detektieren. Er identifizierte Paracetamol bei Konzentrationen von nur 0,032 Mikromolar und Aspirin bei 0,15 Mikromolar. Diese Detektionsgrenzen sind vergleichbar mit – und in einigen Fällen besser als – vielen Sensoren, die mit chemisch synthetisierten Nanopartikeln gebaut wurden. Der Sensor funktionierte durch die Messung des elektrischen Stroms, der entsteht, wenn die Wirkstoffe auf der Oberfläche der Goldpartikel oxidieren. Die Anwesenheit der Nanopartikel bewirkte, dass diese Reaktion viel schneller und bei niedrigeren Spannungen ablief, als es auf einer bloßen Elektrode der Fall wäre, was es dem Sensor ermöglichte, selbst die schwächsten Signale der Wirkstoffe aufzufangen.

Die Forscher beschränkten sich nicht darauf, die Funktionsweise des Sensors im Labor zu beweisen; sie testeten ihn an realen Proben, um zu sehen, ob er mit der Komplexität tatsächlicher Medikamente und menschlicher Flüssigkeiten zurechtkommt. Sie analysierten kommerzielle Tabletten von Paracetamol und Aspirin, lösten diese auf und maßen den Wirkstoffgehalt. Die Messwerte des Sensors stimmten mit über 98 Prozent Genauigkeit mit den auf den Packungen angegebenen Mengen überein und entsprachen eng den Ergebnissen der standardmäßigen Laborchromatographie. Sie testeten den Sensor auch an menschlichen Urin- und Speichelproben, denen bekannte Mengen der Medikamente zugesetzt worden waren. In diesen biologischen Flüssigkeiten, die viele andere Substanzen enthalten können, die die Messung stören könnten, behielt der Sensor seine Genauigkeit bei und stellte zwischen 96,8 und 103,8 Prozent der zugesetzten Wirkstoffe wieder her. Dies demonstrierte, dass die Olivenblatt-Nanopartikel selektiv genug waren, um das Hintergrundrauschen von Salzen, Proteinen und anderen Metaboliten im Körper zu ignorieren und sich nur auf die Zielwirkstoffe zu konzentrieren.

Ein entscheidender Teil dieser Studie war die Bewertung der Umweltauswirkungen der neuen Methode. Die Forscher verwendeten ein spezialisiertes Bewertungssystem namens AGREE, das analytische Techniken basierend auf zwölf Prinzipien der grünen Chemie bewertet, wie etwa Abfallreduzierung, Energieeffizienz und die Verwendung sicherer Lösungsmittel. Der mit Olivenblatt-Nanopartikeln gebaute Sensor erhielt eine hervorragende Punktzahl von 0,82 von 1,0, was ihn in die oberste Kategorie der grünen Analysemethoden einordnet. Im Gegensatz dazu erhielt der mit chemisch synthetisierten Nanopartikeln gebaute Sensor 0,61, und die traditionelle Flüssigkeitschromatographie erreichte lediglich 0,38. Die hohe Punktzahl des neuen Sensors war vor allem auf die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel, die Vermeidung toxischer Reduktionsmittel und die Nutzung landwirtschaftlicher Abfälle als Rohmaterial zurückzuführen. Diese quantitative Bewertung bestätigte, dass die Forscher erfolgreich eine Sensorplattform geschaffen haben, die die Leistung nicht zugunsten der Umwelt opfert.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Verwendung von Olivenblattextrakt zur Synthese von Goldnanopartikeln einen praktikablen und nachhaltigen Weg für den Bau elektrochemischer Sensoren darstellt. Die Methode verwandelt ein gewöhnliches landwirtschaftliches Nebenprodukt in ein Hightech-Werkzeug, das in der Lage ist, Wirkstoffspiegel sowohl in pharmazeutischen Produkten als auch in biologischen Proben zu überwachen. Während die Forscher anmerkten, dass weitere Tests an authentischen klinischen Proben von Patienten wertvoll wären, liefern ihre derzeitigen Ergebnisse starke Belege dafür, dass die grüne Synthese Sensoren hervorbringen kann, die ebenso zuverlässig sind wie jene, die mit konventioneller Chemie hergestellt werden. Durch die Integration der Prinzipien der grünen Chemie mit fortschrittlicher Nanotechnologie deutet diese Arbeit auf eine Zukunft hin, in der die Werkzeuge, die die menschliche Gesundheit schützen, selbst so konzipiert sind, dass sie den Planeten schützen.