納米材料修飾電極在抗癲癇藥物檢測中的應(yīng)用

黃 菲 周 慧 毛云飛 沈 明 金黨琴 錢 琛

(1.揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 江蘇 揚州：225127；2.揚州大學 江蘇 揚州：225002)

癲癇(俗稱“羊角風”)是一類具有反復性和突發(fā)性的大腦功能失調(diào)綜合征，患者一旦發(fā)病，往往口吐白沫、神志失常且全身抽搐，嚴重時可致死亡，屬于神經(jīng)內(nèi)科常見病[1]。藥物治療是目前臨床上應(yīng)對該類疾病的主要方式，因而抗癲癇藥物一直都是研究熱點。近年來，納米材料修飾電極因其優(yōu)異的使用性能，在該類藥物檢測方面發(fā)揮了較大作用，應(yīng)用日益廣泛。因此，本文擬對最近十年該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行評述，以期推動相關(guān)學科的進步。

抗癲癇藥物總計約有數(shù)十種，但常用的就兩類：亞芪胺類和苯二氮類[1]。在國家基本藥物體系中，前者以卡馬西平(Carbamazepine，CBZ)為代表，后者則主要包括地西泮(Diazepam，DZP)、硝西泮(Nitrazepam，NZP)、氯硝西泮(Clonazepam，CZP)和勞拉西泮(Lorazepam，LZP)。其中，DZP用途廣泛，已有文獻專門對其進行綜述[2]。為避免重復，本文主要討論上述除DZP外的其它四種藥物。

1 整體概況

1.1 亞芪胺類

Lavanya等通過簡單的微波輻射法合成了一種摻雜Fe的SnO2納米顆粒，利用XRD、SEM和TEM來表征摻雜所引起的結(jié)構(gòu)及形貌變化。將其固定到絲網(wǎng)印刷碳電極表面，制備出一次性的修飾電極。通過循環(huán)伏安法(CV)和方波伏安法(SWV)研究了CBZ在電極上的電化學行為，發(fā)現(xiàn)CBZ在0.8V產(chǎn)生氧化峰，電極過程受擴散控制，求得電子轉(zhuǎn)移系數(shù)α為0.63及電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)ks為0.69s-1。測定時，濃度線性范圍為0.5～100μM，檢測限為92nM[3]。Pruneanu等在金電極表面沉積了一種新穎的“石墨烯+Au納米顆粒”復合物，TEM結(jié)果顯示：Au納米顆粒嵌入在石墨烯中。同時，一系列電化學實驗表明：修飾電極對CBZ有著良好的電催化作用，可使其氧化過電位降低100mV，峰電流增加2倍，檢測限為3.03×10-6M[4]。Fathi等合成了一種雙功能菜花狀Ho3+/NiO納米材料，并對其進行表征。將其固定到玻碳電極表面，所得修飾電極可同時測定甲氨蝶呤和CBZ，檢測限分別為5.2nM和4.5nM，并求得兩者的擴散系數(shù)D和多相速率常數(shù)kh[5]。Chen等以CBZ為模板分子，電化學合成了一種高選擇性的分子印跡聚合膜，將其固定在高導電性的、具有中空結(jié)構(gòu)的Ag納米球上，形成復合物，并修飾到電極表面，通過SEM、EDS、XRD、CV和EIS對其進行表征?；诜肿佑≯E膜的門效應(yīng)，以Fe(CN)63-/4-為電化學探針進行定量分析，CBZ的檢測限達到驚人的3.2×10-11M，電極具有很高的可重復使用性及穩(wěn)定性，所提出的檢測方法被標準方法HPLC證實有效。試樣進行簡單的前處理后，所構(gòu)建的傳感器可用于老鼠血清和細胞樣品的快速、準確分析[6]。Darzi等合成了一種“ZSM-5-納米沸石+TiO2納米顆?！睆秃衔铮渲?，沸石的大小在100nm以下，利用FT-IR、N2吸附/脫附等溫線等手段對沸石結(jié)構(gòu)進行表征?；诟鹘M分的介孔結(jié)構(gòu)，該復合物修飾碳糊電極具有良好的電催化活性，對乙酰氨基酚、普拉克索和CBZ等三種藥物的氧化峰電流均急劇增加，過電位則大幅降低。通過示差脈沖伏安法(DPV)可對三種藥物實現(xiàn)同時測定，檢測限分別為0.58μM、0.38μM和1.04μM。電極顯示出良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性，并成功用于人體血漿樣品分析[7]。Dhanalakshmi等通過低溫水熱法合成了一種“摻Ce的ZnO+還原態(tài)氧化石墨烯”納米復合物，利用SEM、XRD和FT-IR對其形貌進行表征，并將其固定到玻碳電極表面。CBZ在修飾電極上于0.72V產(chǎn)生靈敏的氧化峰。測定時，濃度線性范圍為0.05～100μM，檢測限為1.2nM[8]。Garcia等比較了玻碳電極、絲網(wǎng)印刷碳電極和Ag納米顆粒修飾絲網(wǎng)印刷碳電極在檢測CBZ方面的效能，發(fā)現(xiàn)修飾電極最靈敏，檢測限為0.938±0.006μM。但如果將辣根過氧化物酶固定在絲網(wǎng)印刷碳電極上，則其選擇性最好[9]。Teixeira等采用多壁碳納米管修飾玻碳電極研究了CBZ五種代謝產(chǎn)物的電化學氧化行為，結(jié)合控制電位電解及HPLC-DAD-MS技術(shù)對氧化產(chǎn)物進行分析，提出電極反應(yīng)機理，建立了CBZ的伏安分析方法[10]。Unnikrishnan等合成了一種“還原態(tài)氧化石墨烯+單壁碳納米管”復合物，并將其固定到玻碳電極表面。組分之間的π-π疊加作用增加了修飾膜的穩(wěn)定性，這點已被UV和FT-IR證實。與單壁碳納米管修飾電極相比，CBZ在復合物修飾電極上的氧化峰電流增長了3.2倍。測定時，濃度線性范圍為50nM～3μM，檢測限為29nM[11]。Balasubramanian等制備了一種“氧化石墨烯+石墨碳氮化合物”復合物修飾電極，其對CBZ有著不可思議的電催化活性。與對比電極相比，CBZ在修飾電極上的氧化峰電流達到前者的4倍，氧化峰電位最低可至0.1V，檢測限為10.5nM[12]。Mehrjardi等采用傳統(tǒng)方法合成了一種“載Cu2+沸石A+摻N石墨烯”復合物，并對其進行表征。固定到玻碳電極表面后得到修飾電極，整個制備過程符合綠色化學的理念。通過SWV可以同時測定CBZ和多巴胺，檢測限分別為6.3nM和3.8nM。尤其是在多巴胺存在下，CBZ的濃度線性范圍可寬至10～80000nM[13]。Daneshvar等合成了一種樹枝狀的三元金屬納米核殼結(jié)構(gòu)，Au為核，Ag和Pd納米顆粒為殼。然后將其和大環(huán)β-環(huán)糊精、離子液體組成納米復合物，并用其修飾玻碳電極，利用SEM對電極形貌進行表征。通過CV和SWV研究了CBZ的電化學行為，測定時，濃度線性范圍為0.5～90μM，檢測限為0.089μM[14]。段成茜等通過混合法制備了一種“TiO2納米顆粒+離子液體[BnMIM]PF6”復合物修飾碳糊電極，研究了CBZ的電化學行為。發(fā)現(xiàn)CBZ于1.0V產(chǎn)生一尖銳的不可逆氧化峰，電極過程受擴散控制，并求得電子轉(zhuǎn)移系數(shù)α為0.777，反應(yīng)速率常數(shù)ks為3.495×10-2s-1。該電極能夠催化CBZ的電化學氧化，測定時，檢測限為4.3×10-7M[15]。

1.2 苯二氮類

Fritea等在玻碳電極表面滴涂了一層還原態(tài)氧化石墨烯，干燥后在HAuCl4溶液中電沉積Au納米顆粒，使其嵌入到石墨烯結(jié)構(gòu)中，形成納米復合物，通過FT-IR、AFM、SEM及電化學方法對其進行表征。這兩種納米材料之間的協(xié)同效應(yīng)，使電極具有很高的比表面積、良好的導電性能和優(yōu)異的催化性能。測定NZP時，濃度線性范圍為0.5～400μM，檢測限為0.166μM[16]。Lotfi等合成了一種納米復合物，由Fe3O4納米顆粒、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、三聚氰酸、2-巰基乙醇和Pd納米顆粒組成，并對其進行表征。通過滴涂方式將其固定在玻碳電極表面，干燥后得到修飾電極。測定CZP時，濃度線性范圍為10nM～1μM，檢測限為3.02nM。與標準的HPLC法比較，經(jīng)t檢驗和F檢驗，兩種方法所得檢測結(jié)果不存在顯著性差異[17]。Habibi等制備了一種“Ag納米顆粒+多壁碳納米管”復合物修飾玻碳電極，通過CV和DPV研究了CZP的電化學行為，發(fā)現(xiàn)修飾電極可以催化CZP的電化學還原，其于-0.61V產(chǎn)生一不可逆的還原峰。測定時，檢測限為6.0×10-9M[18]。Reyhan等制備了一種納米復合物修飾的高缺陷介孔碳陶瓷電極，其對CZP的電化學氧化具有明顯的催化作用。CZP的氧化過電位降低230mV，峰電流大幅增加。測定時，檢測限為0.9×10-8M。該電極在無任何干擾的情況下，成功用于生物體液中CZP的檢測[19]。Khoshroo等制備了一種“Ag納米纖維+離子液體”復合物修飾玻碳電極，并通過多種手段對復合物進行表征。該電極能夠催化CZP的電化學還原，復合物中兩種組分協(xié)同作用，增強了響應(yīng)信號。測定時，濃度線性范圍為0.1～250μM，檢測限為66nM，可用于藥樣、血清樣和尿樣的分析[20]。Shahrokhian等制備了一種“纖維素納米纖維+C納米顆?！睆秃衔镄揎棽Ｌ茧姌O，通過SEM對電極表面形貌進行表征。兩種納米材料的結(jié)合，使復合物具有新的結(jié)構(gòu)均一性和電分析活性。與玻碳電極相比，該修飾電極能大幅增強CZP的還原峰電流，最大可達60倍，完全可以用于CZP的痕量檢測[21]。Rezaei等先對鉛筆芯石墨電極表面進行羥基化處理，然后通過電化學沉積的方法，在電極表面合成了一種高選擇性的分子印跡膜，由聚吡咯、溶膠-凝膠和LZP組成，聚吡咯嵌入在溶膠-凝膠中。溶膠-凝膠中的Si原子和電極表面的-OH通過共價鍵合的方式將分子印跡膜固定在電極表面。為增強印跡膜的導電性，通過還原HAuCl4，在印跡膜表面引入Au納米顆粒。洗脫掉模板分子LZP后，得到最終的修飾電極。該電極制備簡便、表面多孔、靈敏度高、再現(xiàn)性好，測定LZP時，檢測限同樣達到驚人的0.09nM，已成功用于藥樣、血漿樣、尿樣等實際樣品分析[22]。

2 總結(jié)評價

最近十年，納米材料修飾電極逐步應(yīng)用于抗癲癇藥物檢測，并取得一定的進展?？傮w來看，其發(fā)展脈絡(luò)包括：修飾劑由單一納米材料過渡到納米復合物；制備方式由粗放的涂覆轉(zhuǎn)變成精密的逐層組裝；材料結(jié)構(gòu)由簡單的低維、平面構(gòu)型演進為多維、立體結(jié)構(gòu)。研究的重點和難點則始終是如何進一步提高電極的檢測靈敏度和選擇性，尤其是在面對有其它組分存在的生物樣品。

一般而言，電極性能的優(yōu)劣主要取決于表面修飾材料，這方面目前呈現(xiàn)兩個顯著特點：

第一，二元型納米復合物占據(jù)主流。簡單地說，納米復合物就是至少包含一種納米材料，且宏觀性能均勻分布的均相混合物。它高度融合了各組分的特性，基于組分之間的協(xié)同效應(yīng)，能夠在同一材料上表現(xiàn)出更多的優(yōu)異性能。在抗癲癇藥物檢測領(lǐng)域，更多采用二元型納米復合物。典型模式為“吸附性材料+導電性材料”或“識別性材料+導電性材料”，組分功能較為明確，所構(gòu)建的修飾電極簡單實用，足以應(yīng)對單純環(huán)境下單一藥物的檢測。以本文為例，就有“石墨烯+Au納米顆?！?、“納米沸石+TiO2納米顆粒”、“Ag納米顆粒+多壁碳納米管”、“還原態(tài)氧化石墨烯+單壁碳納米管”、“Ag納米纖維+離子液體”、“TiO2納米顆粒+離子液體”、“分子印跡膜+Ag納米球”等多種體系。例如，“Ag納米纖維+離子液體”體系中，離子液體具有很強的疏水性，可以將水溶性差的藥物進行萃取富集，增加其在電極表面的濃度。而Ag納米纖維作為一種特殊的金屬形態(tài)，具有極高的導電性。兩種強化效應(yīng)相互疊加，自然可以增強響應(yīng)信號，提高檢測靈敏度。又如，“分子印跡膜+Ag納米球”體系中，前者選擇性高，后者導電性好，作為一個整體修飾到電極表面，無疑有利于藥物的超痕量分析。

第二，無機納米粒子的廣泛使用。文獻里已公開的納米復合物中，均可發(fā)現(xiàn)金屬或金屬氧化物納米顆粒的存在，這主要歸功于它們較強的導電性和吸附性。除此之外，還有三點不容忽視：一是合成方便。常用的水熱法、電化學沉積法、化學還原法、溶膠-凝膠法等均可制備，常規(guī)條件下就能實現(xiàn)材料的可控合成。二是表征容易。普通方法合成的納米粒子大多結(jié)構(gòu)簡單對稱，進行完整的形態(tài)學表征難度不大。三是修飾簡單。一般的球狀或類球狀納米粒子進行表面衍生化處理時，各點位發(fā)生“改造”的概率大致相同，無需差異性控制，納米粒子也容易整體嵌入到其它結(jié)構(gòu)體系中。

應(yīng)當看到，盡管目前整個領(lǐng)域的發(fā)展方興未艾，但仍存在兩個明顯不足：

一是大多數(shù)二元型納米復合物為零維、一維或平面結(jié)構(gòu)，立體化程度差異較小，功能也相對單薄。進行常規(guī)多組分分析，往往選擇性差，識別能力弱，響應(yīng)信號重疊而無法區(qū)分，而應(yīng)對實際臨床樣品檢測或者手性藥物拆分則更加無能為力，所以目前這方面的文獻報道寥寥無幾。

二是諸如碳納米管等特殊導電材料的使用相對較少，極大影響了電極性能，這從一些傳感器的檢測限僅達到μM級就可見一斑。

3 發(fā)展方向

隨著今后國家對藥品質(zhì)量的管控日趨嚴格，相關(guān)檢測要求必定會逐步提高。圍繞納米材料修飾電極，預(yù)計未來的發(fā)展方向是：

一方面，開發(fā)新型納米復合物。作為抗癲癇藥物，無論是亞芪胺類，還是苯二氮類，大多屬于多環(huán)或雜環(huán)化合物，分子的光譜學性能一般較好。考慮到光化學與電化學的反應(yīng)機理類似，完全可以借鑒、篩選、移植及改造某些用于藥物反應(yīng)或檢測時的光催化劑及光譜探針，將其與新興高性能納米材料有機結(jié)合，合成出層次有序、存在特殊立體結(jié)構(gòu)或表面缺陷的新型納米復合物，以大幅提高電極的靈敏度和選擇性[23-24]。當然，對于基體電極和修飾方式的選擇及優(yōu)化，也是值得深入探討的。

另一方面，構(gòu)建以電化學檢測為主體的多維分析系統(tǒng)。對于復雜生物樣品，受限于電化學方法拙于分離的固有缺點，如不進行必要的前處理，即使采用納米材料修飾電極，檢測效果通常也不及預(yù)期。但若將修飾電極整合到其它分析系統(tǒng)中，利用別的手段先將各組分進行分離和選擇性富集，再集中發(fā)揮電化學分析的優(yōu)勢，則可揚長避短，實現(xiàn)檢測效能的最大化[25-26]。

4 結(jié)論

最近十年，納米材料修飾電極逐步應(yīng)用于抗癲癇藥物檢測，并取得一定的進展，但某些方面仍存在不足。預(yù)計未來該領(lǐng)域?qū)⒕劢褂谛滦图{米復合物的開發(fā)和以電化學檢測為主體的多維分析系統(tǒng)的構(gòu)建。