Simultanele elektrochemische Nachweis von Imipenem und Meropenem mittels eines mit Pt–Au bimetallischen Nanopartikeln dekorierten 3D‑Graphenoxid modifizierten glasigen Kohlenstoffelektroden

Warum die Überwachung starker Antibiotika wichtig ist

Einige der wichtigsten Krankenhausantibiotika, wie Imipenem und Meropenem, sind lebensrettende Wirkstoffe gegen hartnäckige Infektionen. Sie sind jedoch ein zweischneidiges Schwert: Zu geringe Konzentrationen im Blut können das Überleben von Keimen erlauben, während zu hohe Dosen Gehirn, Leber und Nieren schädigen und in die Umwelt gelangen können. Diese Studie beschreibt einen kostengünstigen Sensor, der beide Wirkstoffe schnell und sehr empfindlich gleichzeitig in realen Proben wie Blut, Urin und Arzneimitteln messen kann und damit Ärzten bei der Feinabstimmung der Therapie und Aufsichtsbehörden bei der Umweltüberwachung helfen könnte.

Eine neue Methode, winzige chemische Signale zu lesen

Die Forscherinnen und Forscher setzten sich das Ziel, einen elektrochemischen Sensor zu entwickeln — ein Gerät, das chemische Informationen in ein elektrisches Signal übersetzt. Statt sich auf große, teure Instrumente zu verlassen, die komplexe Probenvorbereitung erfordern, strebten sie eine kleine Elektrode an, die direkt in eine Lösung mit Imipenem und Meropenem eingetaucht werden kann. Wenn diese Wirkstoffmoleküle die Elektrode berühren und eine Oxidationsreaktion durchlaufen — im Wesentlichen Elektronen abgeben —, lässt sich der entstehende Strom messen. Die Herausforderung besteht darin, eine Elektrodenoberfläche zu entwerfen, die diese Reaktion effizient macht und die Signale der beiden Wirkstoffe klar trennt, selbst bei sehr geringen Konzentrationen.

Aufbau einer winzigen, porösen Hilfsoberfläche

Um die Leistung der Elektrode zu steigern, entwickelte das Team ein geschichtetes Nanomaterial. Sie begannen mit Graphenoxid, einer Form von Kohlenstoff, die in atomdünnen Schichten angeordnet ist. Durch die Weiterverarbeitung zu einem dreidimensionalen, schwammartigen Netzwerk schufen sie eine große, poröse Oberfläche, auf der viele Reaktionen gleichzeitig ablaufen können. Auf dieses Gerüst wurden sehr kleine Partikel aus einer Mischung von Platin und Gold verankert. Diese bimetallischen Nanopartikel wirken wie winzige Katalysatoren und beschleunigen den Elektronentransfer zwischen den Wirkstoffen und der Elektrode. Mikroskopie- und Röntgenuntersuchungen bestätigten, dass die Metallpartikel gut über das Graphengerüst verteilt waren und beim Aufbringen auf eine glasige Kohlenstoffunterlage eine stabile und hochleitfähige Beschichtung bildeten.

Drugkontakt in scharfe elektrische Spitzen umwandeln

Sobald diese beschichtete Elektrode vorbereitet war, testeten die Autoren, wie gut sie auf Imipenem und Meropenem ansprach. Mittels Voltammetrie — dem Auf- und Abfahren der Spannung bei gleichzeitiger Aufzeichnung des Stroms — zeigten sie, dass jeder Wirkstoff ein charakteristisches Oxidationspeak bei einem anderen Potential erzeugte, mit einer klaren Trennung zwischen den Peaks. Diese Separation erlaubt es dem Sensor, die beiden Wirkstoffe auch dann auseinanderzuhalten, wenn sie gemeinsam vorliegen. Die poröse, mit Metall dekorierte Oberfläche verringerte zudem den Widerstand für den Elektronenfluss und vergrößerte die aktive Fläche im Vergleich zu einer unveränderten Elektrode erheblich. Dadurch wurden die elektrischen Signale stärker und präziser, sodass das Gerät Wirkstoffkonzentrationen bis in den Nanomolarbereich über einen bemerkenswert weiten Bereich erfassen konnte. Experimente, in denen Acidiät der Lösung, Materialbeladung und Scanrate variiert wurden, halfen dabei, die Bedingungen zu bestimmen, die die zuverlässigsten und stärksten Antworten liefern.

Arbeiten in der realen Welt, nicht nur im Labor

Über kontrollierte Testlösungen hinaus wurde der Sensor mit realen Proben konfrontiert: menschlichem Serum und Urin sowie handelsüblichen Imipenem‑Tabletten und Meropenem‑Injektionen. Durch das Zusetzen bekannter Wirkstoffmengen in diese komplexen Gemische und die Messung der Signalzunahme zeigte das Team, dass die Wiederfindungsraten sehr nahe bei 100 Prozent lagen, mit nur geringen Abweichungen. Das Gerät war zudem über Wochen lagerstabil, lieferte bei mehrfacher Herstellung nahezu identische Ergebnisse und ließ sich nicht leicht durch andere häufige Arzneimittel oder gelöste Salze beeinträchtigen. Diese Eigenschaften deuten darauf hin, dass der Sensor für die Qualitätskontrolle von Arzneimitteln und zur Überwachung des Wirkstoffverhaltens im Körper einsetzbar sein könnte.

Was das für Patienten und die Umwelt bedeutet

Praktisch betrachtet liefert die Studie eine kompakte und preiswerte Elektrode, die zwei wichtige Reserveantibiotika gleichzeitig in extrem niedrigen Konzentrationen nachweisen kann. Für das Gesundheitswesen könnte ein solcher Sensor die therapeutische Wirkstoffüberwachung unterstützen und Klinikern helfen, die Dosierung so anzupassen, dass die Konzentrationen hoch genug sind, um Bakterien abzutöten, aber niedrig genug, um schädliche Nebenwirkungen zu vermeiden. Für Umwelt‑ und Lebensmittelsicherheit könnte dieselbe Plattform dazu beitragen, Antibiotikarückstände in Wasser, Agrarprodukten oder Klinikabfällen zu verfolgen. Zwar wäre vor einer Anwendung am Krankenbett oder im Feld noch weitere Entwicklung nötig, doch zeigt diese Arbeit, wie sorgfältig entworfene Nanomaterialien subtile chemische Spuren in klare, leicht messbare elektrische Signale verwandeln können.

Zitation: Paghaleh, H.J., Jahani, S., Moradalizadeh, M. et al. Simultaneous electrochemical detection of imipenem and meropenem using a Pt–Au bimetallic nanoparticle–decorated 3D graphene oxide modified glassy carbon electrode. Sci Rep 16, 9876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36658-0

Schlüsselwörter: elektrochemischer Sensor, imipenem, meropenem, Graphen‑Nanomaterialien, Antibiotika‑Überwachung