纳米材料修饰电极在抗癫痫药物检测中的应用

2020-07-07毛云飞金党琴

武汉工程职业技术学院学报 2020年2期

黄菲周慧毛云飞沈明金党琴钱琛

(1.扬州工业职业技术学院江苏扬州：225127；2.扬州大学江苏扬州：225002)

癫痫(俗称“羊角风”)是一类具有反复性和突发性的大脑功能失调综合征，患者一旦发病，往往口吐白沫、神志失常且全身抽搐，严重时可致死亡，属于神经内科常见病[1]。药物治疗是目前临床上应对该类疾病的主要方式，因而抗癫痫药物一直都是研究热点。近年来，纳米材料修饰电极因其优异的使用性能，在该类药物检测方面发挥了较大作用，应用日益广泛。因此，本文拟对最近十年该领域的研究现状及发展趋势进行评述，以期推动相关学科的进步。

抗癫痫药物总计约有数十种，但常用的就两类：亚芪胺类和苯二氮类[1]。在国家基本药物体系中，前者以卡马西平(Carbamazepine，CBZ)为代表，后者则主要包括地西泮(Diazepam，DZP)、硝西泮(Nitrazepam，NZP)、氯硝西泮(Clonazepam，CZP)和劳拉西泮(Lorazepam，LZP)。其中，DZP用途广泛，已有文献专门对其进行综述[2]。为避免重复，本文主要讨论上述除DZP外的其它四种药物。

1 整体概况

1.1 亚芪胺类

Lavanya等通过简单的微波辐射法合成了一种掺杂Fe的SnO2纳米颗粒，利用XRD、SEM和TEM来表征掺杂所引起的结构及形貌变化。将其固定到丝网印刷碳电极表面，制备出一次性的修饰电极。通过循环伏安法(CV)和方波伏安法(SWV)研究了CBZ在电极上的电化学行为，发现CBZ在0.8V产生氧化峰，电极过程受扩散控制，求得电子转移系数α为0.63及电子转移速率常数ks为0.69s-1。测定时，浓度线性范围为0.5～100μM，检测限为92nM[3]。Pruneanu等在金电极表面沉积了一种新颖的“石墨烯+Au纳米颗粒”复合物，TEM结果显示：Au纳米颗粒嵌入在石墨烯中。同时，一系列电化学实验表明：修饰电极对CBZ有着良好的电催化作用，可使其氧化过电位降低100mV，峰电流增加2倍，检测限为3.03×10-6M[4]。Fathi等合成了一种双功能菜花状Ho3+/NiO纳米材料，并对其进行表征。将其固定到玻碳电极表面，所得修饰电极可同时测定甲氨蝶呤和CBZ，检测限分别为5.2nM和4.5nM，并求得两者的扩散系数D和多相速率常数kh[5]。Chen等以CBZ为模板分子，电化学合成了一种高选择性的分子印迹聚合膜，将其固定在高导电性的、具有中空结构的Ag纳米球上，形成复合物，并修饰到电极表面，通过SEM、EDS、XRD、CV和EIS对其进行表征。基于分子印迹膜的门效应，以Fe(CN)63-/4-为电化学探针进行定量分析，CBZ的检测限达到惊人的3.2×10-11M，电极具有很高的可重复使用性及稳定性，所提出的检测方法被标准方法HPLC证实有效。试样进行简单的前处理后，所构建的传感器可用于老鼠血清和细胞样品的快速、准确分析[6]。Darzi等合成了一种“ZSM-5-纳米沸石+TiO2纳米颗粒”复合物，其中，沸石的大小在100nm以下，利用FT-IR、N2吸附/脱附等温线等手段对沸石结构进行表征。基于各组分的介孔结构，该复合物修饰碳糊电极具有良好的电催化活性，对乙酰氨基酚、普拉克索和CBZ等三种药物的氧化峰电流均急剧增加，过电位则大幅降低。通过示差脉冲伏安法(DPV)可对三种药物实现同时测定，检测限分别为0.58μM、0.38μM和1.04μM。电极显示出良好的稳定性和再现性，并成功用于人体血浆样品分析[7]。Dhanalakshmi等通过低温水热法合成了一种“掺Ce的ZnO+还原态氧化石墨烯”纳米复合物，利用SEM、XRD和FT-IR对其形貌进行表征，并将其固定到玻碳电极表面。CBZ在修饰电极上于0.72V产生灵敏的氧化峰。测定时，浓度线性范围为0.05～100μM，检测限为1.2nM[8]。Garcia等比较了玻碳电极、丝网印刷碳电极和Ag纳米颗粒修饰丝网印刷碳电极在检测CBZ方面的效能，发现修饰电极最灵敏，检测限为0.938±0.006μM。但如果将辣根过氧化物酶固定在丝网印刷碳电极上，则其选择性最好[9]。Teixeira等采用多壁碳纳米管修饰玻碳电极研究了CBZ五种代谢产物的电化学氧化行为，结合控制电位电解及HPLC-DAD-MS技术对氧化产物进行分析，提出电极反应机理，建立了CBZ的伏安分析方法[10]。Unnikrishnan等合成了一种“还原态氧化石墨烯+单壁碳纳米管”复合物，并将其固定到玻碳电极表面。组分之间的π-π叠加作用增加了修饰膜的稳定性，这点已被UV和FT-IR证实。与单壁碳纳米管修饰电极相比，CBZ在复合物修饰电极上的氧化峰电流增长了3.2倍。测定时，浓度线性范围为50nM～3μM，检测限为29nM[11]。Balasubramanian等制备了一种“氧化石墨烯+石墨碳氮化合物”复合物修饰电极，其对CBZ有着不可思议的电催化活性。与对比电极相比，CBZ在修饰电极上的氧化峰电流达到前者的4倍，氧化峰电位最低可至0.1V，检测限为10.5nM[12]。Mehrjardi等采用传统方法合成了一种“载Cu2+沸石A+掺N石墨烯”复合物，并对其进行表征。固定到玻碳电极表面后得到修饰电极，整个制备过程符合绿色化学的理念。通过SWV可以同时测定CBZ和多巴胺，检测限分别为6.3nM和3.8nM。尤其是在多巴胺存在下，CBZ的浓度线性范围可宽至10～80000nM[13]。Daneshvar等合成了一种树枝状的三元金属纳米核壳结构，Au为核，Ag和Pd纳米颗粒为壳。然后将其和大环β-环糊精、离子液体组成纳米复合物，并用其修饰玻碳电极，利用SEM对电极形貌进行表征。通过CV和SWV研究了CBZ的电化学行为，测定时，浓度线性范围为0.5～90μM，检测限为0.089μM[14]。段成茜等通过混合法制备了一种“TiO2纳米颗粒+离子液体[BnMIM]PF6”复合物修饰碳糊电极，研究了CBZ的电化学行为。发现CBZ于1.0V产生一尖锐的不可逆氧化峰，电极过程受扩散控制，并求得电子转移系数α为0.777，反应速率常数ks为3.495×10-2s-1。该电极能够催化CBZ的电化学氧化，测定时，检测限为4.3×10-7M[15]。

1.2 苯二氮类

Fritea等在玻碳电极表面滴涂了一层还原态氧化石墨烯，干燥后在HAuCl4溶液中电沉积Au纳米颗粒，使其嵌入到石墨烯结构中，形成纳米复合物，通过FT-IR、AFM、SEM及电化学方法对其进行表征。这两种纳米材料之间的协同效应，使电极具有很高的比表面积、良好的导电性能和优异的催化性能。测定NZP时，浓度线性范围为0.5～400μM，检测限为0.166μM[16]。Lotfi等合成了一种纳米复合物，由Fe3O4纳米颗粒、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、三聚氰酸、2-巯基乙醇和Pd纳米颗粒组成，并对其进行表征。通过滴涂方式将其固定在玻碳电极表面，干燥后得到修饰电极。测定CZP时，浓度线性范围为10nM～1μM，检测限为3.02nM。与标准的HPLC法比较，经t检验和F检验，两种方法所得检测结果不存在显著性差异[17]。Habibi等制备了一种“Ag纳米颗粒+多壁碳纳米管”复合物修饰玻碳电极，通过CV和DPV研究了CZP的电化学行为，发现修饰电极可以催化CZP的电化学还原，其于-0.61V产生一不可逆的还原峰。测定时，检测限为6.0×10-9M[18]。Reyhan等制备了一种纳米复合物修饰的高缺陷介孔碳陶瓷电极，其对CZP的电化学氧化具有明显的催化作用。CZP的氧化过电位降低230mV，峰电流大幅增加。测定时，检测限为0.9×10-8M。该电极在无任何干扰的情况下，成功用于生物体液中CZP的检测[19]。Khoshroo等制备了一种“Ag纳米纤维+离子液体”复合物修饰玻碳电极，并通过多种手段对复合物进行表征。该电极能够催化CZP的电化学还原，复合物中两种组分协同作用，增强了响应信号。测定时，浓度线性范围为0.1～250μM，检测限为66nM，可用于药样、血清样和尿样的分析[20]。Shahrokhian等制备了一种“纤维素纳米纤维+C纳米颗粒”复合物修饰玻碳电极，通过SEM对电极表面形貌进行表征。两种纳米材料的结合，使复合物具有新的结构均一性和电分析活性。与玻碳电极相比，该修饰电极能大幅增强CZP的还原峰电流，最大可达60倍，完全可以用于CZP的痕量检测[21]。Rezaei等先对铅笔芯石墨电极表面进行羟基化处理，然后通过电化学沉积的方法，在电极表面合成了一种高选择性的分子印迹膜，由聚吡咯、溶胶-凝胶和LZP组成，聚吡咯嵌入在溶胶-凝胶中。溶胶-凝胶中的Si原子和电极表面的-OH通过共价键合的方式将分子印迹膜固定在电极表面。为增强印迹膜的导电性，通过还原HAuCl4，在印迹膜表面引入Au纳米颗粒。洗脱掉模板分子LZP后，得到最终的修饰电极。该电极制备简便、表面多孔、灵敏度高、再现性好，测定LZP时，检测限同样达到惊人的0.09nM，已成功用于药样、血浆样、尿样等实际样品分析[22]。

2 总结评价

最近十年，纳米材料修饰电极逐步应用于抗癫痫药物检测，并取得一定的进展。总体来看，其发展脉络包括：修饰剂由单一纳米材料过渡到纳米复合物；制备方式由粗放的涂覆转变成精密的逐层组装；材料结构由简单的低维、平面构型演进为多维、立体结构。研究的重点和难点则始终是如何进一步提高电极的检测灵敏度和选择性，尤其是在面对有其它组分存在的生物样品。

一般而言，电极性能的优劣主要取决于表面修饰材料，这方面目前呈现两个显著特点：

第一，二元型纳米复合物占据主流。简单地说，纳米复合物就是至少包含一种纳米材料，且宏观性能均匀分布的均相混合物。它高度融合了各组分的特性，基于组分之间的协同效应，能够在同一材料上表现出更多的优异性能。在抗癫痫药物检测领域，更多采用二元型纳米复合物。典型模式为“吸附性材料+导电性材料”或“识别性材料+导电性材料”，组分功能较为明确，所构建的修饰电极简单实用，足以应对单纯环境下单一药物的检测。以本文为例，就有“石墨烯+Au纳米颗粒”、“纳米沸石+TiO2纳米颗粒”、“Ag纳米颗粒+多壁碳纳米管”、“还原态氧化石墨烯+单壁碳纳米管”、“Ag纳米纤维+离子液体”、“TiO2纳米颗粒+离子液体”、“分子印迹膜+Ag纳米球”等多种体系。例如，“Ag纳米纤维+离子液体”体系中，离子液体具有很强的疏水性，可以将水溶性差的药物进行萃取富集，增加其在电极表面的浓度。而Ag纳米纤维作为一种特殊的金属形态，具有极高的导电性。两种强化效应相互叠加，自然可以增强响应信号，提高检测灵敏度。又如，“分子印迹膜+Ag纳米球”体系中，前者选择性高，后者导电性好，作为一个整体修饰到电极表面，无疑有利于药物的超痕量分析。

第二，无机纳米粒子的广泛使用。文献里已公开的纳米复合物中，均可发现金属或金属氧化物纳米颗粒的存在，这主要归功于它们较强的导电性和吸附性。除此之外，还有三点不容忽视：一是合成方便。常用的水热法、电化学沉积法、化学还原法、溶胶-凝胶法等均可制备，常规条件下就能实现材料的可控合成。二是表征容易。普通方法合成的纳米粒子大多结构简单对称，进行完整的形态学表征难度不大。三是修饰简单。一般的球状或类球状纳米粒子进行表面衍生化处理时，各点位发生“改造”的概率大致相同，无需差异性控制，纳米粒子也容易整体嵌入到其它结构体系中。

应当看到，尽管目前整个领域的发展方兴未艾，但仍存在两个明显不足：

一是大多数二元型纳米复合物为零维、一维或平面结构，立体化程度差异较小，功能也相对单薄。进行常规多组分分析，往往选择性差，识别能力弱，响应信号重叠而无法区分，而应对实际临床样品检测或者手性药物拆分则更加无能为力，所以目前这方面的文献报道寥寥无几。

二是诸如碳纳米管等特殊导电材料的使用相对较少，极大影响了电极性能，这从一些传感器的检测限仅达到μM级就可见一斑。

3 发展方向

随着今后国家对药品质量的管控日趋严格，相关检测要求必定会逐步提高。围绕纳米材料修饰电极，预计未来的发展方向是：

一方面，开发新型纳米复合物。作为抗癫痫药物，无论是亚芪胺类，还是苯二氮类，大多属于多环或杂环化合物，分子的光谱学性能一般较好。考虑到光化学与电化学的反应机理类似，完全可以借鉴、筛选、移植及改造某些用于药物反应或检测时的光催化剂及光谱探针，将其与新兴高性能纳米材料有机结合，合成出层次有序、存在特殊立体结构或表面缺陷的新型纳米复合物，以大幅提高电极的灵敏度和选择性[23-24]。当然，对于基体电极和修饰方式的选择及优化，也是值得深入探讨的。

另一方面，构建以电化学检测为主体的多维分析系统。对于复杂生物样品，受限于电化学方法拙于分离的固有缺点，如不进行必要的前处理，即使采用纳米材料修饰电极，检测效果通常也不及预期。但若将修饰电极整合到其它分析系统中，利用别的手段先将各组分进行分离和选择性富集，再集中发挥电化学分析的优势，则可扬长避短，实现检测效能的最大化[25-26]。