基于納米材料的電化學(xué)傳感器在生物堿檢測中的研究進(jìn)展

李秋月，周 昊，湯洪波

(1.宜春學(xué)院 江西省高校應(yīng)用化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)重點實驗室，江西 宜春336000；2.宜春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 宜春 336000)

1 生物堿概述

生物堿(alkaloids)是指一類具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的含氮有機(jī)化合物，且大部分為氮雜環(huán)并含有孤電子對，因其能接受質(zhì)子而顯堿性[1]。生物堿種類繁多，遍布較廣，主要存在于高等植物中，也有學(xué)者曾在某些脊椎和無脊椎動物體內(nèi)分離得到了生物堿。宋龍等[2]從羅氏海盤車中分離出2個生物堿類化合物并發(fā)現(xiàn)其中一種具有一定抗腫瘤活性。

大量研究和試驗證明生物堿的治療用途廣泛，其藥理作用主要包括以下幾個方面，抗腫瘤、抗菌抗病毒、抗心血管疾病、抗炎鎮(zhèn)痛、殺蟲作用等[3]。該類化合物在醫(yī)藥衛(wèi)生等行業(yè)發(fā)揮著重要的應(yīng)用潛力，越來越多地適用于臨床治療領(lǐng)域。 Wangchuk等[4]通過瓊脂井?dāng)U散法和其它多種技術(shù)相結(jié)合發(fā)現(xiàn)了不丹藥用植物中的兩種生物堿均具有抗腫瘤和抗菌活性。Juge等[5]人采用靜脈注射的方式來研究lepadiformine類生物堿對動物心血管系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)其具有抗心律失常的特性，可使血壓恢復(fù)正常值。因此，對生物堿類化合物進(jìn)行簡單可靠和高靈敏的分析測定仍是探索的主要方向，該項研究對臨床診斷和人類健康具有積極推動的作用。

2 生物堿的傳統(tǒng)檢測方法

生物堿的檢測方法種類繁多，其中有氣相色譜法(GC)[6]、薄層掃描法(TLC)[7]、高效液相色譜法(HPLC)[8]及相關(guān)聯(lián)用技術(shù)[9]等。對比其它檢測技術(shù)，電化學(xué)傳感器以敏感材料為識別系統(tǒng)，選擇性與待測物發(fā)生作用，再利用電極將化學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)導(dǎo)成電化學(xué)信號輸出來進(jìn)行分析檢測的裝置[10]。該分析方法成本較低，操作簡便，還能與電極修飾技術(shù)結(jié)合使用，以實現(xiàn)高靈敏度。修飾材料補(bǔ)充后的電極在性能方面得到大幅度提升，不管是在反應(yīng)時間、IR、記憶效應(yīng)、還是檢測等方面得到了顯著的改變，而且修飾膜牢牢粘附在電極表面上，具有較好的再現(xiàn)性和抗干擾能力，易于準(zhǔn)備和使用，從而成為研究的熱點[11]。本文評述了近幾年來用于檢測生物堿的電化學(xué)傳感器的研究成果及應(yīng)用，重點放在納米材料的應(yīng)用方面，并對其未來研究方向和進(jìn)展進(jìn)行展望。

3 不同界面材料的電化學(xué)傳感器在生物堿檢測中

的應(yīng)用

在不斷改進(jìn)電化學(xué)傳感器性能的過程中，引入了納米材料的應(yīng)用。納米材料是指尺寸在1-100 nm范圍內(nèi)的納米粒子，既包括金屬材料，也包括無機(jī)非金屬材料和高分子物理材料等，因其特有的納米級尺寸，具備了表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)，較高反應(yīng)活性以及電子轉(zhuǎn)移能力等特點，在電化學(xué)傳感器的制備中得到廣泛應(yīng)用[12]。其中，碳納米材料，貴金屬納米材料，金屬氧化物納米材料，復(fù)合納米材料等在非酶電化學(xué)傳感器中的研究發(fā)展過程中起到了比較有效的推動作用[13]。

3.1 碳納米材料電化學(xué)傳感器

1958年，[14]Adams等在電化學(xué)實驗中提出來一種新型電極，即碳基電極。該電極使用了碳(石墨)粉末，開啟了碳納米材料在電化學(xué)電極和傳感器制備過程的的廣泛應(yīng)用。碳納米材料具有比表面積大、生物相容性好的特點，作為電極的界面材料可以提高其他催化活性材料的負(fù)載量；因其良好的導(dǎo)電性而容易結(jié)合其他修飾材料，并使其功能化。其中，石墨烯、碳納米管、介孔碳、富勒烯等碳材料被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中。下面主要綜述碳納米管和石墨烯兩種。

3.1.1 碳納米管

碳納米管是由石墨片組成的一維納米管體，六角型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)連接完美。該納米材料在電化學(xué)分析中，具備降低檢測線，提高靈敏度，以及減少表面污染的特性。Rezae等[15]在玻碳電極上用多壁碳納米管(NWCNNT)做修飾材料，通過循環(huán)伏安法檢測蒂巴因，結(jié)果表明相對于裸玻碳電來說，NWCNNT修飾的電極明顯提高了蒂巴因氧化的電子轉(zhuǎn)移速率與檢測的靈敏性。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出其測定條件較廣，可在PH2.0-10.0寬的范圍內(nèi)測定，檢出限為0.23μM，從而開發(fā)了一種簡單方便的方法來分析人尿中的蒂巴因。

碳納米管具有良好的柔韌度、很高的軸向強(qiáng)度和剛度，因而可以作為增強(qiáng)體來構(gòu)建復(fù)合材料[16]。碳納米管在提純時步驟較簡便，且純度較高，雜質(zhì)少，成本較低。但也存在一些缺陷，例如在制備過程中對所用設(shè)備的要求較嚴(yán)格，納米管之間的對接操作繁瑣，功率消耗也大。

碳納米管可以和聚合物形成復(fù)合材料，分為兩種類型，第一種以碳納米管為主體；Thirumalra等將聚L-賴氨酸(PLL)電聚合在多壁碳納米管上，制得的f-MWCNT/ PLL復(fù)合物具有出色的電催化活性和生物形容性，可快速檢測棕櫚堿，檢出限為0.12 um[17]。第二類是以聚合物為主體，碳納米管為填充材料。 Devi等[18]在實驗中用聚苯胺(PANI)這一導(dǎo)電聚合物與碳納米管組成復(fù)合膜，促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的能力，并制備了黃嘌呤生物傳感器。該傳感器并有較好的穩(wěn)定性和靈敏度，并已應(yīng)用于魚肉中黃嘌呤的測定。另外也有研究者將金屬納米粒子和碳納米管復(fù)合，以及金屬納米粒子、聚合物、碳納米管一起復(fù)合制備電化學(xué)傳感器用于生物堿的分析。

3.1.2 石墨烯

石墨烯是具有獨(dú)特單層片狀結(jié)構(gòu)的二維碳納米材料，較高的比表面積決定其可以附著各種分子材料。該材料被廣泛應(yīng)用于生物堿的精準(zhǔn)檢測中，常見的使用如多巴胺的測定。

莊貞靜等[19]分別制備了基于石墨烯的碳糊電極(GPE)和基于石墨粉的碳糊電極(CPE)，并對兩種電化學(xué)傳感器在K2Fe(CN)6溶液中的電化學(xué)行為進(jìn)行對照，發(fā)現(xiàn)石墨烯修飾電極對電子轉(zhuǎn)移表現(xiàn)出良好的促進(jìn)作用。分別用GPE和CPE電極在抗血酸的干擾下檢測多巴胺，結(jié)果表明GPE電極對DA具有良好的選擇性響應(yīng)，檢出限為0.8 μmol/L，并具有較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，可用于實際樣品的測定。

研究發(fā)現(xiàn)，利用氧化石墨烯(GO)制備的電極性能得到增強(qiáng)，采用電化學(xué)反應(yīng)以還原GO能夠提高電化學(xué)傳感器對多巴胺的檢測靈敏度，并且制備得到的電極比較穩(wěn)定[20]。呂洋等[21]將GO分散液滴注在GCE上，制備了ERGO-GCE電化學(xué)傳感來測定多巴胺。該傳感器表現(xiàn)出高的電催化活性，DA的峰電流與其樣品濃度在0.5-60 μmol/L之間呈線性關(guān)系，檢出限為0.5 umol/L。將氧化石墨烯通過電化學(xué)反應(yīng)來還原，可以彌補(bǔ)以往化學(xué)還原法中有雜質(zhì)生成的缺陷，同時避免了采用化學(xué)還原法去除含氧物種對石墨烯性質(zhì)的影響，例如降低電子性質(zhì)并削弱其電化學(xué)性能等缺點。因此通過電化學(xué)還原氧化石墨烯的方法既便捷又綠色，節(jié)約成本，被廣泛應(yīng)用。

用石墨烯和其它物質(zhì)形成的復(fù)合材料修飾電極制備成新型的電化學(xué)傳感器來檢測生物堿。舒曉莉等[22]采用電沉積法合成了一種聚葉酸/石墨烯復(fù)合膜修飾的電極，用于對茶堿和咖啡因的同時檢測。在實驗中，研究者利用電化學(xué)和掃描電鏡對復(fù)合膜進(jìn)行表征分析。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)表明，該電化學(xué)傳感器表現(xiàn)出優(yōu)越的電催化性能，并且在寬的線性范圍內(nèi)對待測物的靈敏度檢測有明顯增加。茶堿和咖啡因的檢出限分別為0.03 umol/L和0.08 umol/L，其檢出限較低，并可滿足實際應(yīng)用。該項研究也為茶堿和咖啡因在藥物分析及臨床診斷中的精確檢測提供有力方法和工具。

3.2 金屬納米顆粒電化學(xué)傳感器

金屬納米材料屬于無機(jī)功能材料，具有較高的導(dǎo)電性、較小的顆粒尺寸、較大的比表面積等特性，因而活性催化位點多，能夠增強(qiáng)待測物與電極間的電子轉(zhuǎn)移速率。常用的金屬納米材料有Au、Ag、Pt、Cu等。Oren等[23]設(shè)計了一種納米金-玻碳糊復(fù)合電極(AuNP-GCPE)構(gòu)成的電化學(xué)傳感器，可對咖啡因進(jìn)行快速靈敏的伏安測定。實驗表明，在GCPE結(jié)構(gòu)中引入AuNP增加了電流值，促進(jìn)了咖啡因在電極表面的氧化過程。納米金的修飾為電極表面增加了穩(wěn)定性，消除了氧化產(chǎn)物在電極表面的吸附。金屬納米材料可以與其它一種或兩種及以上材料結(jié)合形成復(fù)合膜修飾電極，從而改善傳感器檢測性能。

Atta等[24]在實驗中嘗試以二茂鐵羧酸(FC1)為介體，夾在聚3，4-乙二氧基噻吩(PEDOT)和金納米粒子之間(PEDOT/介體/Aunano)，成功制備出一種新型的電化學(xué)傳感器來檢測人尿樣品中的嗎啡。結(jié)果表明，因含有納米金的導(dǎo)電聚合物基體中引入了二價鐵離子和極性取代基團(tuán)，從而提高了薄膜的導(dǎo)電性，使該傳感器在電子轉(zhuǎn)移速率和電催化活性方面的性能明顯增強(qiáng)。該修飾電極的檢出限為21 nmol/L，并取得了滿意的回收率。此外，PEDOT/FC1/Aunano復(fù)合物成功地用于同時測定嗎啡、抗壞血酸、尿酸的三級混合物以及嗎啡/抗壞血酸和嗎啡/多巴胺的二元混合物。

3.3 納米金屬氧化物電化學(xué)傳感器

納米金屬氧化物是根據(jù)金屬材料納米材料的應(yīng)用衍生出來的一個研究方向。CuO、Fe3O4、TiO2、Fe2O3和ZnO等為電化學(xué)研究中常用的金屬氧化物納米材料。該類材料大多具備較好的熱穩(wěn)定性，較低的毒性，明顯的化學(xué)惰性等，并且生物相容性好，可作為優(yōu)良的電極修飾材料[25]。 Khoshhesab[26]用簡單的方法將CuO納米顆粒負(fù)載到石墨烯納米片上，設(shè)計出了一種新型的納米復(fù)合材料，成功制備了電化學(xué)傳感器。在研究中通過掃描電子顯微鏡、X射線衍射等多種技術(shù)對納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，圖譜表明其具備良好的電化學(xué)活性、較快的電子傳遞速率、較高的比表面積和優(yōu)異的防污性能，提高了傳感器表面的氧化峰電流，并能采用差分脈沖法來實現(xiàn)對對乙酰氨基酚、咖啡因和抗壞血酸的快速同時測定。

3.4 復(fù)合納米材料電化學(xué)傳感器

復(fù)合納米材料是將納米材料與其他一種或多種材料相結(jié)合，從而形成一種新型的材料。該復(fù)合材料具有單一材料所不具備的特殊理化性質(zhì)，并可表現(xiàn)出各個組成部分的優(yōu)勢，而且其組成部分可以相互作用產(chǎn)生協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。許多研究表明，利用復(fù)合納米材料制備的電化學(xué)傳感器在藥物分析及分析化學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)了更加優(yōu)越的性能。

有研究者將DPA與還原性氧化石墨烯相結(jié)合用于鉛筆石墨的電化學(xué)改性電極(RGO / DPA / PGE)表面，用于檢測尼古丁，并在實驗中制備了DPA/PGE作為比較電極，結(jié)果證實了使用石墨烯/DPA復(fù)合材料制備的電化學(xué)傳感器與只用DPA修飾的電化學(xué)傳感器相比，其電化學(xué)性能更理想，在實際樣品測定中具有很高的靈敏度與選擇性，檢出限(LOD)為7.6uM[27]。Mekassa等[28]構(gòu)建了一種聚(l-天冬氨酸)/功能化多壁碳納米管復(fù)合修飾電極P(L-Asp)/ f-MWCNTs / GCE，用來實現(xiàn)對咖啡因和茶堿的同時測定。在檢測樣品的過程中，復(fù)合電極的峰值電流進(jìn)一步增強(qiáng)，高于在單個聚合物和納米管改性電極上的響應(yīng)。實驗數(shù)據(jù)表明，修飾材料之間的協(xié)同作用，有效地增強(qiáng)了復(fù)合電極的電催化活性，促進(jìn)了待測物與傳感器之間的電子轉(zhuǎn)移速率，從而構(gòu)建出性能優(yōu)越的電化學(xué)傳感器。

4 結(jié)論與展望

針對目前的納米材料電化學(xué)傳感器在檢測生物堿應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀，在實際樣品的檢測中，還存在諸多問題需要改進(jìn)和研究，針對實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，可以不斷彌補(bǔ)缺陷，改良技術(shù)，不斷研發(fā)新型納米材料等，從而獲得更緊密優(yōu)良的傳感器來提高響應(yīng)性，實現(xiàn)對微量有效成分的精密測定。通過不斷地延伸和探究來使電化學(xué)傳感器檢測的范圍和適用性得到進(jìn)一步地拓展，從而更好的發(fā)展和造福于人類。納米材料還有更廣闊的的研究前景，使用單一的納米材料傳感器，其檢測結(jié)果往往沒有納米材料復(fù)合體更加理想。所以研究者們更傾向于研究和開發(fā)新穎的納米材料復(fù)合體，還可以將納米材料與功能聚合體、生物分子等多種材料相結(jié)合，根據(jù)結(jié)合手段和材料差異，性能也會有所區(qū)別。未來的研究仍需傾向于多元材料的復(fù)合，進(jìn)一步探究納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和接觸相界面的結(jié)構(gòu)特性，發(fā)掘生物堿電催化氧化的機(jī)理，從而更有利于進(jìn)行該類納米復(fù)合修飾材料的設(shè)計和研究。