黃 菲，周 慧，毛云飛，沈 明，金黨琴，錢 琛

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

β受體阻滯劑(俗稱洛爾類藥物)是一類能夠選擇性地與β腎上腺素受體結合，從而阻斷神經(jīng)遞質及兒茶酚胺對β受體激動作用的藥物，廣泛用于治療高血壓、冠心病、心力衰竭、心肌梗死、心絞痛、心律失常等心腦血管疾病，被視為心內(nèi)科“萬能藥”[1]。其通過抑制交感神經(jīng)活性來控制心率，大多具有一定的鎮(zhèn)靜作用，因而在一些體育賽事(如射擊、射箭、賽車、滑雪等項目)中屬于違禁藥物[2]。鑒于β受體阻滯劑重要的臨床價值，長期以來，該類藥物的相關檢測研究一直頗受關注。電化學方法簡單、靈敏，在這方面獨樹一幟。納米電化學傳感器近年來更是大放異彩，成果斐然。本文立足領域現(xiàn)狀，著重探討、評點近期一些新的研究動向，以期能為藥學、化學、材料學等學科的發(fā)展提供些許參考。

限于篇幅，這里僅選取實際應用較廣的幾類代表性藥物進行討論，分別是：(1)同時阻斷β1和β2受體：普萘洛爾(Propranolol，PRO)、索他洛爾(Sotalol，SOT)、噻嗎洛爾(Timolol，TIM)、吲哚洛爾(Pindolol，PIN)。(2)選擇性阻斷β1受體：阿替洛爾(Atenolol，ATE)、美托洛爾(Metoprolol，MET)、比索洛爾(Bisoprolol，BIS)、醋丁洛爾(Acebutolol，ACE)、倍他洛爾(Betaxolol，BET)。(3)同時阻斷α1和β受體：卡維地洛(Carvedilol，CAR)[1]。

1 研究動向概述

總體來看，圍繞納米電化學傳感器檢測效能提升，近年來學界在四個方面進行了一系列新的嘗試。

1.1 修飾材料

一般來說，傳感器使用性能的優(yōu)劣主要取決于工作電極表面的修飾材料。就現(xiàn)狀而言，納米復合物占據(jù)主流，其在保持納米材料基本特性(導電性、吸附性、催化性)的前提下，整合不同組分，發(fā)揮協(xié)同效應，實現(xiàn)最大功效。目前研究得最多的是“碳納米管(或石墨烯)+貴金屬納米顆?！奔啊疤技{米管(或石墨烯)+特定有機物(如離子交換劑、離子液體、環(huán)糊精、殼聚糖、沸石分子篩等)”兩大體系[3-4]。這其中，主成分為碳納米管(CNTs)或石墨烯(GR)，作為檢測平臺，具有較強的導電性。輔助成分則是貴金屬納米顆?；蛱囟ㄓ袡C物，前者主要起催化作用，加速電子轉移，促進氧化還原反應的進行。后者作為分散劑和穩(wěn)定劑，不僅要分散溶解主成分，也通過自身的親/疏水性和生物兼容性來富集藥物分子，提高藥物在電極界面的微區(qū)濃度以增強響應信號。上述體系組成簡單，分工明確，其缺點在于：一方面，貴金屬納米顆粒因表面電荷密度高，易于團聚，導致粒徑粗大，均一性差。并且由于催化活性過強，接觸干擾物質后電極容易失活。另一方面，離子交換劑等有機物雖然富集作用顯著，但自身導電性弱。一旦過量使用，反而大幅抑制響應信號，降低檢測靈敏度。

因此，一些研究者嘗試對修飾材料進行改性，并初獲成效。

（1）納米顆粒表面功能化。通過引入特定功能基團，降低電荷密度，削弱粒子間相互作用，減少發(fā)生團聚沉降的概率。這些基團大多具有較長的碳鏈和極大的位阻，阻礙干擾物質靠近，從而使納米顆粒的催化活性得以維持。

Silva等將氨基功能化的六邊形介孔Si填充至碳糊電極中制備修飾電極，修飾劑具有較高的比表面積、較大的孔隙容積和準球形結構，借助氨基和藥物分子中氧原子之間的氫鍵作用，使藥物能夠順利通過針孔滲透到電極表面并富集?；赑IN、ACE和MET各自不同的氧化峰電位，通過示差脈沖伏安法(DPV)可實現(xiàn)三者的同時測定，檢測限則分別為0.1、0.046和0.23 μM，可用于廢水樣分析[5]。Mohamed等將氯化硝基四氮唑藍修飾的Au納米顆粒填充至碳糊電極中，所得修飾電極大幅提高SOT的響應信號。在陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉存在下，檢測限為2.5×10-8M，可用于藥樣和人體尿樣分析[6]。Perez等將平均粒徑7.5 nm、羧基化的磁性Fe3O4納米顆粒固定在石墨環(huán)氧樹脂電極表面，得到修飾電極。通過循環(huán)伏安法(CV)研究了SOT的電化學行為，發(fā)現(xiàn)其在720和920 mV產(chǎn)生兩個氧化峰。采用DPV測定，檢測限為0.015 μM[7]。Haidyrah等通過超聲的辦法對斜方晶系的Sb2O3納米棒進行表面硫化處理并固定到電極表面，由于修飾材料各向異性，電極對ACE具有良好的催化作用。測定時，濃度線性范圍為0.001~101.4 μM，跨越5個數(shù)量級，檢測限低至0.8 nM，達到pM級，可用于人體血清樣和尿樣分析[8]。

（2）采用無機氧化物納米材料。與通常基于絡合酸還原法制備的貴金屬納米顆粒相比，通過溶膠-凝膠法或水熱法合成的無機氧化物納米顆粒表面電荷密度大幅下降，相互作用力弱，分散性好，吸附性及生物兼容性強。某些具有尖晶石結構的磁性納米顆?；蜮}鈦礦結構的稀土氧化物納米顆粒，往往還表現(xiàn)出較高的催化活性及光電轉換效率。

Dehnavi等將一種“TiO2納米顆粒+多壁碳納米管(MWCNTs)”復合物沉積到鉛筆芯石墨電極表面后得到修飾電極，借助CV、 掃描電鏡(SEM)、能量色散X射線光譜(EDX)、紅外反射光譜(FT-IR)、電化學阻抗(EIS)進行表征。采用DPV測定PRO，檢測限為2.1×10-8 M，可用于藥樣和生物樣品分析[9]。Hosseini等制備了一種“Cu2O-CuO納米顆粒+還原態(tài)氧化石墨烯(rGO)”復合物修飾碳糊電極，借助CV、EIS、SEM、FT-IR、X-射線衍射譜(XRD)等進行表征?；趯σ阴０被?、葉酸和PRO三者之間明顯的峰電位差異，采用DPV可實現(xiàn)同時測定，檢測限分別為0.004、0.006和0.011 μM，可用于人體尿樣和血漿樣分析[10]。

Shaterian等通過水熱法合成了一種“CoFe2O4納米顆粒+GR”磁性復合物，借助SEM、XRD、EDX等進行表征。結果顯示，CoFe2O4納米顆粒平均粒徑為30 nm，均勻分布在GR納米片中，整個復合物很適合作為傳感材料用于檢測ATE[11]。Ensafi等通過檸檬酸鹽溶膠-凝膠法合成一種“NiFe2O4納米顆粒+MWCNTs”磁性復合物，固定到電極表面后，可催化SOT的電化學氧化。采用線性掃描伏安法(LSV)測定，檢測限為0.09 μM，可用于藥樣和人體尿樣分析[12]。Valian等通過簡單、環(huán)保的Pechini法合成了一種具有磁性、光學活性及導電性的DyMnO3-ZnO納米復合物，具有呈現(xiàn)各向同性的球狀結構。該復合物修飾的碳糊電極對ATE有良好的電催化作用，可用于藥樣和生物樣品分析[13]。Chen等通過濕化學法合成了具有類似玫瑰花瓣結構，呈現(xiàn)光、電雙重催化活性的YMoO4納米片。其修飾的玻碳電極能催化ACE的電化學氧化，檢測限為2.5 nM。在可見光照射下，還可用于ACE的光降解[14]。

（3）引入分子印跡膜。分子印跡是指基于分子與功能單體的自組裝或預組織，在引發(fā)劑的作用下通過光或者熱等引發(fā)方式，與功能單體及大量交聯(lián)劑形成共聚的技術?；谄浜铣傻木哂羞x擇性吸附和特異性識別功能的聚合物稱為分子印跡聚合膜(MIP)。普通納米材料一般都具有較強的反應活性，表面如無特殊空腔結構，基本上能等幅催化各類電活性物質，導致響應信號重疊而難以區(qū)分，而MIP卻恰好可以實現(xiàn)類似“抗原-抗體”免疫反應專一性識別的效果。

Coelho等首先合成了一種高選擇性的CAR-MIP，再通過混合-超聲的方法，制備出“MWCNTs+MIP”復合物，固定到玻碳電極表面后得到修飾電極。通過CV研究了CAR的電化學行為，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生兩對不可逆的氧化還原峰，電極過程受吸附控制。測定時，檢測限為16.14 μM，抗壞血酸、葡萄糖、尿酸等電活性物質均不干擾測定[15]。Mourad等以甲基丙烯酸為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，BIS為模板分子，偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，合成了一種高選擇性的BIS-MIP。填充至碳糊電極中得到電位型傳感器。電極對BIS電位呈現(xiàn)能斯特響應，濃度線性范圍為1.0×10-7~1.0×10-2 M，跨越5個數(shù)量級，檢測結果準確度堪比傳統(tǒng)的高效液相色譜法(HPLC)[16]。

（4）試驗有機納米材料。長期以來，β受體阻滯劑電化學傳感器大多基于無機納米材料構建，種類有限，極大制約了改進空間，另辟蹊徑轉向性能優(yōu)異的有機納米材料實屬必然。例如，金屬-有機框架材料(MOF)、超分子配合物等就具有突出的光學和電磁學性能，中心金屬原子或離子通常具有較高的催化活性，甚至還可以和藥物分子中的某些原子形成配位鍵，得到穩(wěn)定性不同的二維或三維分子結構，從而極大提高識別能力。

Haghighi等合成了一種“Ti基MOF+rGO”復合物，其修飾的玻碳電極表面具有很多活性點位，能夠促進電子轉移，大幅降低PRO的氧化過電位，增加峰電流。測定時，檢測限為0.008 μM，可用于藥樣和人體尿樣分析[17]。Mutharani等通過超聲波照射合成了熱敏性納米復合物，其由聚(苯乙烯-N-異丙基丙烯酰胺)和WO2納米顆粒雜化而成，并固定到玻碳電極表面。在最低臨界共溶溫度附近進行控溫，利用聚合物在不同溫度下對WO2納米顆粒釋放能力的差異這種所謂“開-關”功能來影響電子傳遞。處于“開”的狀態(tài)下測定MET，檢測限為0.03μM，可用于人體血清樣分析[18]。

1.2 基體電極

基體電極是電化學傳感器構建的基礎和載體，決定了傳感器的基本特性。目前來看，β受體阻滯劑電化學檢測絕大部分都在玻碳電極、碳糊電極、石墨電極等碳基固體電極上實施，它們具有電位窗口寬，穩(wěn)定性高、吸附性好、易于修飾、適用多種介質等優(yōu)點。但缺點同樣明顯：背景電流高、干擾信號大；連續(xù)使用后表面鈍化效應顯著，響應再現(xiàn)性差；體積龐大、再生過程繁瑣，難以用于快檢。一種可能的解決辦法就是應用一次性絲網(wǎng)印刷電極，其輕質小巧、形式多樣、功能集成、成本低廉、可批量制作，尤其適合現(xiàn)場高效檢測。

Khairy等通過普通的水熱法合成出平均寬度200 nm、厚度30 nm的六邊形MgO納米片，將其懸浮液滴涂至絲網(wǎng)印刷石墨電極表面并干燥，所得修飾電極能夠催化硝苯地平和ATE的電化學氧化。結果顯示，兩者的電極過程分受吸附和擴散控制，等量的H+和e-參與反應?；趦烧?50 mV的氧化峰電位差，采用DPV可同時測定，檢測限分別為0.032和1.76 μ M，可用于藥樣和人體尿樣分析，結果與HPLC法吻合[19]。Yamuna等以乙基纖維素為乳化劑，通過超聲乳化方式剝離鉛筆芯石墨，對所得糊狀物進行超聲、離心、并用水分散溶解。將懸浮液滴涂至絲網(wǎng)印刷碳電極表面，干燥后得到修飾電極，能對ACE的電化學氧化進行催化。ACE的電極過程在低掃速下受擴散控制，高掃速下則受吸附控制。反應存在中間產(chǎn)物，并有等量的H+和e-參與。采用DPV測定，濃度線性范圍為0.01~200 μM，跨越4個數(shù)量級，檢測限為4 nM[20]。

1.3 制備工藝

修飾電極的制備工藝關系到傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命。當前絕大部分納米材料都是通過直接滴涂或混合填充的方式固定到基體電極表面，雖然操作簡單，但成膜速度過快，膜層和基體電極間僅通過較弱的物理吸附作用來實現(xiàn)粘接，導致傳感器的穩(wěn)定性低，信號波動性大。較為理想的構建辦法是通過牢固的共價鍵合或逐層組裝方式。前者的關鍵在于形成共價鍵的自組裝分子需具有雙官能團，首端固定在基質上，尾端與納米粒子鍵合；后者則主要通過靜電引力交替組裝形成穩(wěn)定的超結構。

Prunranu等首先通過電聚合方式于玻碳電極表面沉積了一層谷氨酸膜。然后在EDC/NHS存在下，使L-半胱氨酸中的氨基鍵合到聚合膜中的羧基上。再讓其末端的巰基來固定平均粒徑40 nm、由檸檬酸鹽包覆的Au納米顆粒，從而形成穩(wěn)固的Au-S鍵。ATE在電極上可發(fā)生電化學氧化，采用LSV測定，檢測限為3.9×10-7M[21]。Afonso等通過燃燒合成工藝制備BiVO4-Bi2O3納米復合物，通過逐層組裝方式將其固定在ITO(導電玻璃)電極表面，分別形成1、3、5、10和15層。結果表明，層數(shù)為3層時，電極的電化學性能最優(yōu)。ATE在電極上發(fā)生不可逆氧化，2H++2e-參與電極反應，檢測限為0.459 μM，可用于藥樣和人體尿樣分析[22]。

1.4 檢測方法

檢測方法的優(yōu)劣極大影響傳感器的工作效率和分析精度，單純的CV、DPV、LSV等電化學檢測方法受電極材料性能、目標物組成等因素的影響，某些情況下依然存在靈敏度低、選擇性差等問題，目前常用的應對措施就是融合其它分析技術協(xié)同解決。

(1)電致化學發(fā)光

電致化學發(fā)光(ECL)是一種將電化學手段與化學發(fā)光方法有機結合的一種分析技術，集成了電化學電勢可控和發(fā)光分析靈敏度高的優(yōu)點，選擇性強，可進行原位分析，適合反應機理研究，尤其是芳香族雜環(huán)化合物的檢測分析。

Zhu等通過簡單的溶劑熱法合成了石墨樣的氮化碳納米片，其不僅是一種新型發(fā)光體，還可以作為手性選擇劑，固定到電極表面后，利用明顯的ECL信號差異能有效區(qū)分PRO光學對映體，通過計算結合常數(shù)和水相接觸角實驗闡明了相應的手性識別機理[23]。戢凱倫等利用靜電吸附作用合成了一種“釕硅納米粒子+聚乙烯亞胺”復合納米粒子，以其作為ECL探針，結合PRO-MIP，構建MIP-ECL傳感器。測定PRO，檢測限為5.4×10-13M，可用于人體血清樣分析[24]。

(2)化學計量學

化學計量學是一門化學與統(tǒng)計學、數(shù)學、計算機科學交叉產(chǎn)生的新興學科，在構建仿真模型、優(yōu)化測量過程、解析實驗數(shù)據(jù)、探求反應機理、預測實驗結果等方面發(fā)揮了重要作用，非常適合復雜樣品及多組分分析，尤其是手性分子識別。

Alamein等將主成分回歸法、偏最小二乘法等與CV、DPV等伏安分析方法結合，采用Fe2O3納米顆粒修飾碳糊電極實現(xiàn)了TIM和溴莫尼定的同時測定，檢測限分別為1.37×10-5和1.31×10-6μg/mL。其中，采用偏最小二乘法后，檢測結果與HPLC法一致[25]。Khoobi等采用MWCNTs糊電極在人體血漿樣中同時測定BET和ATE，在響應信號重疊的情況下，將多元曲線分辨-交替最小二乘法與DPV結合，充分采掘信息，檢測限分別為0.19和0.29 μM[26]。Stoian等在玻碳電極表面電化學沉積了一層L-半胱氨酸修飾的Au納米顆粒，將分子動力學模擬和DPV、EIS相結合，研究了PRO光學對映體與Au納米顆粒之間的相互作用。結果表明，S-PRO的氧化峰電流約是R-PRO的2倍，氧化峰電位比后者負移了約40 mV。意味著Au納米顆粒與S型對映體的結合力較弱，電子也越容易傳遞，自由能也更高。計算模型表明：正是L-半胱氨酸與PRO對映體之間的氫鍵導致產(chǎn)生了電化學識別信號[27]。Kalambate等將磺丁基-β-環(huán)糊精嵌入到C納米纖維中得到復合物，并固定到玻碳電極表面。采用DPV研究了氨氯地平、克倫特羅和MET各自光學對映體在修飾電極上的響應信號，發(fā)現(xiàn)所有對映體之間均存在氧化峰電位差，說明電極具有手性識別能力。通過主-客體化學及熱力學方法，計算出不同對映體與環(huán)糊精之間的結合常數(shù)，提出了識別機理。指出S-氨氯地平、R-克倫特羅和R-MET與環(huán)糊精之間的結合力更強，帶負電荷的環(huán)糊精適合作為手性選擇劑[28]。

2 總結與展望

最近十年，納米電化學傳感器廣泛用于β受體阻滯劑的檢測，成效顯著。針對存在的問題，學界在修飾材料、基體電極、制備工藝、檢測方法等方面做了大量新的嘗試，取得一定進展?？傮w來看，對修飾材料的探索最為深入，這是因為材料的合成及表征技術已日臻完善，改性相對容易。與之相反，制備工藝的發(fā)展卻長期停滯不前。受納米材料自身性能限制，滴涂(或混合)成膜方式至今仍是主流，電鍍、物理氣相沉積、噴涂、離子注入、摻雜、刻蝕等表面精飾方式依然應用寥寥。加之有序組裝技術過于精細、繁瑣，實用性不強，故這方面的成果乏善可陳。而基體電極和檢測方法的研究則方興未艾。

圍繞傳感器檢測效能提升，在持續(xù)推進及深化上述研究的情況下，預計未來還有兩個方向值得關注：

一方面，強化同分離技術聯(lián)用的研究。電化學方法拙于分離，即使采用納米材料也難有作為。對于人體血樣、尿樣等成分復雜的生物樣品，如不進行預處理，實施穩(wěn)定、準確的電化學檢測幾無可能。納米材料優(yōu)異的吸附性和催化性，往往會同等增強分析物和干擾物的信號強度，響應重疊、無法區(qū)分的情形比比皆是。分子印跡膜固然可以大幅提高選擇性，洗脫程序卻極為繁瑣，嚴重影響檢測效率。免疫分析雖然靈敏度最高，但傳感器構建過程過于復雜，且需使用昂貴的生物試劑，性價比低?；瘜W計量學等方法縱然可以輔助檢測，可應用條件苛刻，僅具理論意義，實用性不強。通常情況下，需要在測定前通過分離手段對樣品進行預處理，盡可能除去潛在的干擾物質，才能最大限度保證電化學檢測效果。因此，應加強同高效液相色譜、固相/液相微萃取、電膜萃取、毛細管電泳、流動注射分析等手段的聯(lián)用，將修飾電極作為檢測探頭，應用到分離系統(tǒng)中，各司其職，充分發(fā)揮“分離-電化學檢測”的整體效果，確保結果的準確性。

另一方面，強化修飾電極的微型化、陣列化研究。實現(xiàn)現(xiàn)場快檢的一個重要前提就是分析系統(tǒng)的小型化、集成化和便攜化，最常用的就是微流控芯片?，F(xiàn)有的納米電化學傳感器離商業(yè)化生產(chǎn)及應用還相距甚遠，這是因為常規(guī)工作電極體積龐大，難以整合到微全分析系統(tǒng)中。只有將電極徹底微型化，才可能引入到芯片中。此外，單一電極的響應信號強度終有上限，在有限空間內(nèi)，如能將批量的微型電極陣列化，就可能實現(xiàn)所謂的“集束效應”，從而倍增檢測靈敏度。

3 結語

β受體阻滯劑具有重要的臨床價值，最近十年，納米電化學傳感器廣泛用于此類藥物的檢測，成果豐碩。圍繞傳感器檢測效能提升，學界近年來在修飾材料、基體電極、制備工藝、檢測方法等方面做了大量新的嘗試，取得一定進展，未來需強化同分離技術聯(lián)用以及修飾電極微型化、陣列化等兩個方面的研究。