基于纳米材料的中枢性镇痛药电化学传感器研究进展

2021-05-06毛云飞金党琴

南通职业大学学报 2021年1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化学工程学院，江苏扬州 225127；2．扬州大学化学化工学院，江苏扬州 225002）

中枢性镇痛药是一类作用于人体中枢神经系统，选择性抑制或缓解各种疼痛的药物。尤其在应对癌痛，提高患者生活质量方面，发挥了不可替代的作用[1]。与阿司匹林、布洛芬等普通解热镇痛药不同，中枢性镇痛药滥用后极易成瘾，形成严重的药物依赖性，导致由“药品”变成事实上的“毒品”，因而其剂量和纯度必须依法严格管控。近年来，大量性能优异的纳米材料电化学传感器用于这类药物的检测分析，成果斐然。有鉴于此，本文对最近十年该领域所取得的进步进行概述，以期能为我国的医药产业及禁毒事业提供参考。

目前，中枢性镇痛药有一百余种，在我国生产和使用的主要是吗啡、杜冷丁、可待因、曲马多、美沙酮、芬太尼等六类药物[1]。Abraham 等已对有关吗啡的各类电化学传感器做了专门、详尽的评述[2]。为避免重复，本文对吗啡的传感器仅作简要介绍。由于杜冷丁分子结构及电化学活性不同，目前仍以传统的离子选择电极检测为主，研究意义不大，在此不予讨论[3]。所以，本文主要探讨可待因、曲马多、美沙酮、芬太尼等几种药物的电化学检测研究进展。

1 研究概况

1．1 吗啡

吗啡（Morphine，MOP）是一种阿片受体激动剂，为强效镇痛药[1]。其历史悠久、应用面广，一直以来都是学术界关注的焦点，相关研究不可胜数。仅从文献[2]中已详细列举的百余篇文献来看，相关纳米材料电化学传感器的构建主要基于如下体系：

（1）纳米颗粒及其复合物：包括贵纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒，如Au 纳米颗粒、MgFe2O4纳米颗粒、Al2O3纳米颗粒、Au 纳米颗粒-Nafion 复合物、壳聚糖-Fe3O4纳米颗粒复合物等。

（2）碳纳米管（CNTs）复合物：包括 CNTs-纳米颗粒、CNTs-离子液体、CNTs-分子印迹膜、CNTs-聚合物等体系，如多壁碳纳米管（MWCNTs）-SnO2-Zn2SnO4纳米颗粒复合物、ZnO 纳米颗粒-MWCNTs-离子液体复合物、MWCNTs-聚乙烯二茂铁复合物等。当然还有更多的三元型、多元型纳米复合物。

（3）其他纳米复合物：包括石墨烯复合物、介孔材料、无机物-有机物纳米杂交体系、纳米合金材料等，如Zn2SnO4纳米颗粒-石墨烯复合物、Pt纳米颗粒-介孔Si-离子液体复合物、Au 纳米颗粒-金属酞菁复合物、Au 纳米颗粒-二茂铁复合物、Pt-Co 纳米合金纳米线阵列等。

相对于单一型纳米材料，纳米复合物因整合了各组分的优点，使用性能往往更为突出，电极的灵敏度和选择性相对更好，因而更普遍应用于吗啡的电化学检测。

1．2 可待因

可待因（Codeine，COD）是一种吗啡类阿片受体激动剂，为弱效镇痛药[1]。有关COD 的纳米电化学传感器研究概况参见表1。Piech 等将含有MWNTs 和Nafion 的悬浮液滴涂于玻碳电极表面并干燥，通过循环伏安法（CV）研究了COD 在修饰电极上的电化学行为，发现其产生不可逆氧化峰，电极过程受扩散控制，存在单电子转移。采用示差脉冲伏安法（DPV）进行测定，检测限为14 nM[4]。Garazhian 等通过混合氢醌衍生物、MWCNTs、石墨粉和石蜡油，制备了一种具有催化作用的修饰碳糊电极。COD 的电极过程中，单电子转移起决定作用，反应机理属于EC 模式。利用DPV 可同时测定对乙酰氨基酚（ACT）和 COD[5]。Ensafi 等在含有Pd 前驱体和多孔Si 的HF 水溶液中，通过简单的还原反应，在后者表面负载Pd 纳米颗粒，形成复合物，采用 SEM、XRD、EDX、FT-IR 和CV 进行表征。基于其制备的修饰碳糊电极可同时测定 ACT 和 COD，检测限分别为 0．4 和 0．3 μM[6]。此外，该小组又将负载Pt 纳米颗粒的多孔Si 材料填充至碳离子液体电极中，则可同时测定MOP和 COD，检测限分别为 30．0 和 20．0 nM[7]。Deroco等在双十六烷基磷酸膜里引入炭黑和NiO 纳米颗粒，形成复合物后固定到玻碳电极表面得到修饰电极。通过方波伏安法（SWV），利用550 mV 的氧化峰电位差，可实现ACT 和COD 的同时检测[8]。Babaei 等制备了一种“羟基磷灰石+Fe3O4纳米颗粒/MWCNTs”复合物修饰玻碳电极，可以在尿酸存在下同时测定MOP 和COD，检测限分别为14和22 nM[9]。Afkhami 等制备了一种CoFe2O4纳米颗粒修饰碳糊电极，其对羟考酮和COD 的电催化效应显著，可在血浆样品和尿样中实现两者的同时测定，检测限分别为 0．05 和 0．02 μM[10]。该小组同样制备了一种“石墨烯+CoFe2O4纳米颗粒”复合物修饰碳糊电极，可对COD 进行超灵敏检测[11]。Mashhadizadeh 等制备了一种TiO2纳米颗粒修饰碳糊电极，同样实现了人体血浆、血清样品中ACT 和COD 的同时检测，并研究了两者的电极反应机理[12]。Nia 等合成了一种掺La3+的羽毛型ZnO纳米花，并进行表征。基于其制备的修饰碳糊电极可同时测定COD 和双氯芬酸，检测信号互不干扰[13]。Taei 等通过简单的固态方法合成了一种SnO2-Zn2SnO4纳米复合物，将其添加至MWCNTs糊中形成修饰电极。利用MOP 和COD 之间550 mV的氧化峰电位差可实现同时测定，检测限均为0．009 μM[14]。此外，该小组还通过溶胶-凝胶的方法，合成了一种具有尖晶石结构的ZnCrFeO4磁性纳米颗粒，将其嵌入至MWCNTs 糊中制备修饰电极，利用250 和630 mV 的氧化峰电位差，可实现包括COD 在内三种物质的同时检测[15]。Khairy等制备了一种CeO2纳米颗粒修饰丝网印刷电极，可在互不干扰的情况下同时检测人体血清样品中COD 及共生物[16]。Habibi 等制备了一种SWCNTs修饰碳陶瓷电极，其能够催化咖啡因和COD 的电化学氧化，利用两者330 mV 的电位差可实现同时测定，检测限均为 μM 级[17]。Mashadizadeh 在MWCNTs 表面电沉积了一层Sm 的铁氰化物，形成一种有机-无机杂交体系，固定到玻碳电极表面得到修饰电极。由于配合物中存在未配对的d或f 电子，以及空的d 或f 轨道，该电极对COD 具有很高的电催化活性，检测限为6×10-8M[18]。Mohamed 等制备了一种修饰腺嘌呤的具有3D 结构的海绵状石墨烯，通过FT-IR、Raman、XRD、UV、SEM、TEM 等进行表征，固定到丝网印刷电极表面，可对COD 产生明显的电催化效应，检测限为 5．8×10-9M[19]。

表1 可待因（COD）纳米电化学传感器研究概况

1．3 曲马多

曲马多（Tramadol，TRA）是一种阿片受体激动剂，为弱效镇痛药[1]。TRA 的纳米电化学传感器研究概况参见表2。Hassannezhad 等通过焙烧石墨碳氮化合物及Fe3O4磁性纳米颗粒，合成出一种复合物，用于修饰碳糊电极。测定TRA 时，检测限为 0．1 μM[20]。Madrakian 等制备了一种磁性的“双氢氧化物LDH/Fe3O4纳米颗粒”修饰玻碳电极，研究了 TRA 的电化学行为，检测限为 3．0×10-1μM[21]。Jahromi 等先电纺聚丙烯腈，经稳定化及碳化处理后合成出C 纳米纤维，并将其固定到丝网印刷电极表面。修饰电极大幅增强TRA 的响应信号，检测限能达惊人的 0．016 nM[22]。Fathirad 等通过聚合、电纺等方式，合成了一种负载Pd 纳米颗粒的“导电炭黑+导电离子液体”复合物纳米纤维，将其固定到玻碳电极表面后，修饰电极可降低TRA的氧化过电位约 200 mV，检测限为 0．015 μM[23]。Deiminiat 等在玻碳电极表面逐层组装功能化MWCNTs 和薄层分子印迹膜，后者由聚吡咯、溶胶-凝胶和 TRA 组成。以 Fe（CN）63-/4-为电化学探针，表征电聚合及模板分子TRA 的洗脱与再结合过程。MWCNTs 增强电极的导电性能，印迹膜则提高识别性能，检测限同样惊人，达0．03 nM[24]。Afkhami 等以SiO2@Fe3O4为核，合成了一种高选择性的珠状纳米TRA 分子印迹膜。将其和MWCNTs一起添加至碳糊中，所得修饰电极成功用于患者尿样分析[25]。Bagheri 等制备了一种电位型多层修饰碳糊电极，其由TRA 分子印迹膜纳米颗粒、石墨粉、修饰Ag 纳米颗粒的石墨烯纳米片及离子液体组成，检测时呈现良好的能斯特响应[26]。Mohamed 等制备了一种“氧化石墨烯+MWCNTs”复合物修饰碳糊电极，在共生物存在下，TRA 可实现超灵敏检测，检测限为1．5×10-10M，浓度线性范围宽至 2．0×10-9～1．1×10-3M，高达 6 个量级[27]。Cidem 等制备了一种“Sb2O3纳米颗粒+MWCNTs”复合物修饰玻碳电极，可以催化TRA 的电化学氧化，检测限为 9．5×10-9M[28]。Dehdashti 等制备了一种“掺Pt 的NiO 纳米颗粒+MWCNTs”复合物修饰玻碳电极，对肾上腺素和TRA 均有电催化作用，两者可同时测定，检测限分别为0．035 和0．084 μM[29]。Foroughi 等合成了一种蕨菜状的掺La3+CuO 纳米叶，通过 FT-IR、EDX、SEM、XPS、TEM 进行表征。将其悬浮液滴涂于MWCNTs 修饰玻碳电极表面并干燥，所得修饰电极可同时检测TRA 和ACT[30]。Ahari 等在铅笔芯石墨电极表面固定了一层修饰Au 纳米颗粒的MWCNTs，检测TRA 具有很高的灵敏度和选择性[31]。Atta 等在CNTs 表面电沉积单分散Au 纳米颗粒，所得修饰电极可检测最低68 nM 的TRA[32]。Sanghavi 等制备了一种“离子交换树脂+Au 纳米颗粒”复合物修饰玻碳糊电极，可同时测定ACT 和TRA，检测限分别为4．71×10-9和 1．12×10-8M[33]。Rokhsefid 等制备了一种“Au 纳米颗粒+石墨烯纳米片”复合物修饰碳糊电极，可催化TRA 的电化学氧化，求得电子转移系数α 及反应速率常数k，检测限为0．82 μM[34]。Amin 等将含有 Nafion 及CTAB 保护的Au 纳米颗粒的溶液涂覆于玻碳电极表面并干燥，所得修饰电极对TRA 具有很高的电催化活性，检测限为3×10-4μg/mL，可用于废水样分析，指出CTAB 保护的Au 纳米颗粒不易团聚，分散性好[35]。Bidkorbeh 等将C 纳米颗粒悬浮液滴涂于玻碳电极表面，引入的修饰层具有电催化效应，提高了TRA的氧化峰电流，降低了过电位，可同时测定ACT和TRA，检测限分别为 0．05 和 1 μM[36]。Bagherinasab等通过溶胶-凝胶法合成了BaFe12O19纳米颗粒，固定在石墨丝网印刷电极表面形成修饰电极，可将TRA 的过电位降低约140 mV，利用TRA 和ACT 之间470 mV 的电位差，可实现两者的同时测定，检测限分别为 0．025 和 1．5 μM[37]。Afkhami等制备了一种“NiFe2O4纳米颗粒+石墨烯”复合物修饰碳糊电极，可同时测定TRA 和ACT，检测限分别为 0．0036 和 0．0030 μM，并研究了两者的电极过程[38]。Atta 等在表面活性剂SDS 存在下合成了一种复合物，由Co3O4纳米颗粒、离子液晶和CNTs 组成，基于其制备的修饰碳糊电极具有良好的电催化活性，可在人体尿样中实现纳布啡和TRA 的超灵敏测定，其检测限分别可达0．58 和0．62 nM[39]。

表2 曲马多（TRA）纳米电化学传感器研究概况

1．4 美沙酮

美沙酮（Methadone，MTD）是一种二苯甲烷类阿片受体激动剂，为强效镇痛药[1]。Afkhami 等在MWCNTs 糊电极表面电沉积Au 纳米颗粒形成修饰电极，发现MTD 产生不可逆氧化峰，电极过程受吸附控制。通过 SWV 测定，检测限为 0．005 μM[40]。Alipour 等制备了一种MWCNTs 修饰铅笔芯石墨电极，发现MTD 于0．7 V 左右产生尖锐的氧化峰，通过DPV 最低可检测87 nM 的药物，抗坏血酸、尿酸均不干扰测定[41]。Aref 等研究了MTD 在MWCNTs 修饰玻碳电极上的电化学行为，利用290 mV 的氧化峰电位差，可实现ACT 存在下MTD 的灵敏检测，并成功用于人体尿样和唾液样的分析[42]。

1．5 芬太尼

芬太尼（Fentanyl，FET）是一种苯基哌啶类阿片受体激动剂，为强效镇痛药[1]。Sohouli 等制备了一种碳纳米洋葱修饰玻碳电极，发现FET 产生两个氧化峰和一个还原峰，电极反应机理可能为ECE 模式，求得扩散系数 D 为 2．76×10-6cm2s-1，电子转移系数 α 为 0．54，催化速率常数kcat 为1．76×104M-1s-1，检测限为 300 nM[43]。Barfidokht等将MWCNTs 和离子液体的混合物修饰到柔性丝网印刷碳电极上，制备出基于手套的可穿戴式电化学传感器。其工作模式为“接触、扫描、测定、报警”，可将检测数据通过无线直接传送给智能手机，实现样品中FET 的快速筛查。这种法医用“手套实验室”有望通过指尖检测来实现紧急情况下的药物滥用监控[44]。