静脉全麻药电化学检测研究概述

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 )

静脉全麻药是指通过静脉注射进入人体，借助血液循环作用于中枢神经系统而产生全身麻醉的药物[1]。与乙醚、氟烷、氧化亚氮等吸入性全麻药相比，具有诱导迅速、无刺激性、安全环保等优点，临床上广泛用于短时小型手术，如无痛人流、无痛胃肠镜检查等[1]。由于该类药物麻醉效果明显，且具有类似毒品的易成瘾性，使用时必须十分谨慎，其剂量或纯度需从严控制。近年来，诸多分析手段已用于其品质监控，包括液相色谱、气相色谱、色谱-质谱联用、毛细管电泳等[2-3]。与上述方法相比，电化学检测简便、灵敏，日益受到关注，已逐渐成为研究热点。有鉴于此，本文对最近二十年来静脉全麻药电化学检测领域的研究进展进行概述，以期能为我国的医药及禁毒事业提供些许借鉴。

1 总体概况

我国目前生产和使用的静脉全麻药主要是羟丁酸钠、依托咪酯、硫喷妥钠、咪达唑仑、氯胺酮、丙泊酚等六种[1]。其中，羟丁酸钠和依托咪酯由于分子结构中缺少可以发生氧化还原反应的活性基团，目前尚未发现有关电化学检测的文献报道，故本文主要讨论后四种药物。

1.1 硫喷妥钠

硫喷妥钠(Thiopental Sodium，TPT)是一种亲脂性高的短效巴比妥类麻醉药，临床上应用最广，主要用于全麻诱导和基础麻醉[1]。Rizk等以全固态石墨为基底构建了一种微型化的电位型膜电极，敏感膜由TPT-Cu2+离子缔合物及分散在聚氨酯中的电活性物质Co2+-红菲咯啉对离子组成。TPT在电极上呈现类能斯特响应，浓度线性范围为1×10-1～5×10-5mol/L，检测限为5×10-6mol/L。电极响应时间为25～45 s，使用寿命达7周，稳定性高，可直接用于药样和人体血清样分析，结果准确率为99.8±0.5%，可与紫外-可见分光光度法及英国药典推荐的检测方法相媲美[4]。Najafi等在TPT存在下，于金电极上电聚合苯酚，然后洗脱掉聚合膜中的模板分子TPT，制备出电容型分子印迹膜修饰电极。测定时，TPT浓度线性范围为3～20 μmol/L，检测限为0.6 μmol/L，电极具有良好的选择性和再现性[5]。

1.2 咪达唑仑

咪达唑仑(Midazolam，MDZ)是一种苯并二氮杂䓬类麻醉药，具有镇静、催眠和肌松作用，主要用于全麻诱导和维持[1]。Panahi等通过沉淀聚合的方法首次合成了一种MDZ的分子印迹膜纳米颗粒，并用于修饰碳糊电极。测定时，MDZ的浓度线性范围为5.0×10-10～1.0×10-7mol/L和1.0×10-7～1.0×10-6mol/L，检测限为1.77×10-10mol/L。修饰电极成功用于药样和人体尿样分析，有望实现复杂样品中MDZ的痕量检测[6]。Amorim等制备了一种基于β-环糊精的电位型传感器，MDZ在电极上呈现良好的能斯特响应，浓度线性范围为5.7±2.7 g/L。电极微型化后作为检测探头整合到 “顺序注射-阀上实验室” 分析系统中，连续操作下，尽管电极的使用寿命从1年降至大约15天，但检测的准确度和精密度仍足以比肩通用的色谱方法[7]。

1.3 氯胺酮

氯胺酮(Ketamine，KTA)是一种亲脂性高的非巴比妥类麻醉药，主要用于全麻诱导和静脉复合麻醉[1]。Shawish等制备了一种KTA离子选择电极，敏感膜中，KTA-磷钼酸盐作为离子交换剂，亲脂性的阴离子添加剂四苯硼钠溶解在作为塑化剂的邻苯二甲酸二丁脂中。电极响应时间仅为7 s，在1.5×10-6～1.0×10-2mol/L范围内，KTA的电位呈现能斯特响应，检测限为1.2×10-7mol/L。电极使用寿命为22天，成功用于药样和人体尿样分析[8]。此外，该小组将含有KTA、四苯硼钠、聚氯乙烯等物质的溶液涂覆在银电极表面，干燥后制备出新型离子选择电极，检测性能与前者相当[9]。Alizadeh等制备出以邻硝基苯辛醚为塑化剂，离子末端基团作为交换剂的新型修饰聚氯乙烯膜电极，可直接用于KTA的电位分析，并研究了KTA与牛血清白蛋白的相互作用[10]。Deiminiat等采用循环伏安法进行电聚合，在铅笔芯石墨电极上仅用一步就制备出KTA分子印迹膜，膜由聚酪胺、溶胶-凝胶、功能化MWCNTs-Au纳米颗粒复合物和KTA组成。其中，纳米复合物通过化学还原法合成，主要是为了提高电极的电子转移速率和灵敏度，并借助X射线衍射、透射电镜等手段来表征其结构。同时，采用循环伏安、方波伏安、交流阻抗等方法来考察修饰电极的电化学性能。测定时，KTA浓度线性范围为1.0～50.0 nmol/L及50.0～1000.0 nmol/L，检测限为0.7 nmol/L，电极成功用于生物样品分析[11]。Fu等在金属有机框架材料-石墨烯纳米复合物修饰的丝网印刷电极表面，通过紫外线诱导聚合甲基丙烯酸及乙二醇二甲基丙烯酸酯，形成KTA分子印迹膜。其中，丝网印刷电极可以增强印迹膜的附着力，提高整个传感器的稳定性。通过扫描电镜、示差脉冲伏安等方法对印迹膜的形貌和性能进行了表征。测定时，KTA的浓度线性范围宽至5个数量级，为1.0×10-10～4.0×10-5mol/L，检测限则更是达到惊人的4.0×10-11mol/L，电极成功用于人体尿样和唾液样分析[12]。Schram等直接将丝网印刷电极作为检测探头整合到液-质联用系统中，通过方波伏安法研究KTA的电化学行为并进行测定，浓度线性范围为50～2500 μmol/L，检测限为11.7 μmol/L。该系统通过引入电极前处理步骤及整合数据处理程序以区分不同违禁药物的电化学信号指纹图谱，可以方便、快速地对货物或者查禁物品中所含的KTA进行现场检测识别[13]。Yang等在石英晶体微天平芯片上自组装一层3-巯基丙酸，经 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和N-羟基丁二酰亚胺活化后，再将KTA抗体通过共价键合作用固定在芯片表面，形成无标记免疫传感器。以Fe(CN)64-/3-为电化学探针，采用交流阻抗法来表征传感器的构建过程。测定时，KTA的浓度线性范围为1～40 pg/mL，检测限为0.86 pg/mL。在对试样除了稀释而无需进行其它任何前处理的情况下，该传感器可以直接用于人体尿样分析，有望用于临床或法庭KTA现场检测[14]。此外，该小组同样在金电极上，通过相似的办法，制备出KTA免疫传感器。采用交流阻抗法测定KTA，检测限更是达到不可思议的0.41 pmol/L，实现了超微灵敏检测。且传感器可以通过NaOH-H3PO4(pH=12.0)溶液洗脱获得再生，反复使用可达5次以上[15]。Narang等构建了一种负载沸石-氧化石墨烯纳米片的纸基电化学微流控芯片，制备简单，成本低，有望实现商业化生产。测定KTA时，浓度线性范围为 0.001～5 nmol/mL，检测限低至 0.001 nmol/mL[16]。Yehia等在纸基微流控芯片上构建了一种KTA的三重模式检测系统，三片检测区域通过印染的办法加以整合，可分别实现电位、荧光和比色分析。其中，电位检测使用聚苯胺纳米分散物作为电极材料，与USB接口相连。碳点-Au纳米颗粒和Co(SCN)2则分别作为荧光和比色检测试剂。该系统选择性高，十分适合饮料中KTA的快速现场检测，且完全达到WHO的标准[17]。Li等以聚酰胺-胺作为载体和钝化剂，通过水热法一步合成了水溶性碳点。经过钝化剂处理及修饰的碳点是一种均一的、直径约为2 nm的单分散的球状颗粒，成膜后荧光和电化学发光响应信号得以增强，并由此构建了一种KTA电化学发光免疫传感器。测定时，浓度线性范围为0.2～200 ng/mL，检测限为0.067 ng/mL，传感器成功用于人体血浆样分析，有望实现无标记检测[18]。

1.4 丙泊酚

丙泊酚(Propofol，PPF)是一种烷基酸类短效麻醉药，主要用于全麻诱导和维持[1]。Thiagarajan等研究了PPF在阳极预处理的丝网印刷碳电极上的电化学行为，其产生一峰形良好的氧化峰，峰电流作为检测信号，可用于浓度为0.09～0.90 μmol/L范围内PPF的定量分析[19]。Pissinis等将玻碳电极作为检测探头置于反相高效液相色谱系统中，通过循环伏安法研究PPF的电极过程。通过优化实验条件，实现了高pH值下PPF的电化学检测[20]。Moonla等构建了一种基于集成微导管的双分析物传感器，其由两种修饰不同材料的碳糊电极和Ag/AgCl参比电极整合在毫米级宽度的聚四氟乙烯管里构成。通过方波伏安法，可以实现全血样中PPF和芬太尼的实时原位检测，其中PPF的检测限为μmol/L级，而芬太尼为nmol/L级。整个传感器具有长时间连续监测的能力，且抗生物污染能力强，提高了药物传输的安全性[21]。Karim等制备了一种基于甲基丙烯酸二乙氨基乙酯的PPF分子印迹膜，通过固相萃取实验对膜性能进行优化，结果显示印迹膜选择性好，与尿素、葡萄糖等干扰物质没有交联活性。将导电碳材料修饰到丝网印刷电极上，然后通过光聚合反应固定印迹膜，形成最终的修饰电极。其可以在大量尿酸、抗坏血酸等活性物质的存在下，检测出最低4.19 μmol/L的PPF[22]。Hong等制备了一种基于分子印迹膜的一次性手持式微流控芯片生物传感器，采用无标记电化学检测技术，可以低成本、方便地测定PPF。传感器的响应时间为25 s，PPF浓度线性范围为0.1～30 μg/mL，检测限为0.1 μg/mL，可以用于人体血浆样中药物的分离与分析。与传统大型仪器相比，该传感器结构紧凑、选择性高、成本低、响应迅速，可以实现单步式检测[23]。Fan等将PPF引入三联吡啶钌/三丙胺电化学发光体系中，由于激发态的三联吡啶钌和PPF的电化学氧化产物之间存在能量转移导致发光淬灭，根据抑制信号强度可定量测定PPF，浓度线性范围为20～8000 ng/mL，检测限为10 ng/mL，该方法成功用于人体血清样分析[24]。

2 领域特点

最近二十年来，静脉全麻药电化学检测领域成果显著，围绕 “临床高效分析” 、 “现场快速检测” 等方面开展了一系列颇具实用价值的科研工作，与生物、医药、材料等行业的联系日益紧密，已完全超越了单纯电分析化学领域的范畴，形成了跨学科研究。其突出表现在 “四种技术” 的广泛运用：

2.1 分子印迹技术

其以研究对象作为模板分子，通过与功能单体以非共价作用形成复合物，并经交联聚合反应固化，最后将模板分子除去，形成具有一些大小、形状及功能基团排列与模板分子互补的孔穴，从而对目标物进行专一性识别[25]。从结构来看，静脉全麻药分子中环状构型多，有机碳链长，缺少活性基团，发生电子转移十分困难，电化学响应微弱。而如果在电极表面固定一层印迹膜，利用其和目标分子之间强烈的相互作用及高度的空间匹配性，就有可能实现后者在电极表面富集，从而增加微区浓度，提高信号强度。而如果印迹膜本身就是导电聚合物或者在其中添加了金属纳米颗粒，那么电极的检测灵敏度将会得到进一步改善。而印迹膜固有的特异性识别功能，足以保证电极具有良好的选择性。本领域目前已有在金电极、碳糊电极、石墨电极、丝网印刷电极表面制备或固载静脉全麻药分子印迹膜的报道，均取得了不错的检测效果。

2.2 微流控芯片技术

其是一种精确控制和操控微尺度流体的方法，借助微机电加工和生物分析技术，在一块微米尺度的芯片上，实现采样、反应、分离、检测等基本操作单元的集成化，具有体积小、轻质化、便携式、高通量、一次性等优点[25]。众所周知，传统的电化学三电极检测体系结构庞大，拙于分离，样品必须依次分析，进行现场快速检测劣势明显。电化学分析系统若实现微型化和集成化，将会极大提高检测效率，降低成本。本领域中， “阀上实验室” 、 “纸基微流控芯片” 等微全分析系统已数次出现，显示出强大的实用性。

2.3 免疫传感技术

其主要基于抗体(或抗原)作为选择性试剂来检测各种抗原(或抗体)和半抗原以及能发生免疫反应的生物活性物质，具有高度的特异性，灵敏度极高[25]。静脉全麻药本质上也是毒品，属于国家严格管制的化学物质。及时确定人体体液中药物及代谢产物的种类及浓度，对医生的诊疗和公安人员的执法工作将大有裨益。尤其是非标记电化学免疫传感器，非常适合原位在线分析，本领域已有多篇研究报道涉及此类传感器。

2.4 多手段联用技术

本领域中，某些检测依靠电化学发光、石英晶体微天平等手段完成，也有电化学发光-免疫传感、高效液相色谱-电化学传感等体系。这些联用技术不仅保留了不同分析方法各自在光谱学、压电化学、生物学、分离科学等领域的优势，也通过协同作用实现了整体检测效能的最大化，展现出不同学科的深度融合。

需要指出的是，本领域尽管取得了一定进展，但依然存在一些不足。仅就电化学而言，就呈现出 “一低一少” 现象。

第一，化学修饰电极使用程度低。无论是传统的自组装膜修饰电极、导电聚合膜修饰电极、杂多酸修饰电极，还是时下流行的纳米材料修饰电极，在本领域中的使用都是屈指可数。直接电化学检测目前仍以离子选择电极为主，虽然选择性好，但灵敏度却很一般，检测限通常只能达到μmol/L级，这极大限制了电极在实际生物样品分析中的应用。

第二，电流型传感器构建数量少。已公开的文献中，无论是分子印迹膜传感器，还是免疫传感器，从检测信号的形式来看，以电位为主，当然也有电容和阻抗，而电流却不多见。从分析角度来说，虽然电位、电容和阻抗等参数都可用于研究，但毕竟不直观，属于 “间接证据” 。而电流(或伏安)则可以直接展示药物的电化学反应历程，进行定量分析最为方便，但本领域目前高效能的电流型传感器数量明显不足。

3 研究方向

随着今后国家对麻醉药品的管控日趋严格以及对毒品犯罪的持续打击，药物检测研究意义凸显。预计未来将会聚焦于如下两个方面：

3.1 深化检测技术联用及芯片分析

本领域当前发展方兴未艾，不同学科之间的交叉融合已成常态。应当继续保持这种良好的研究态势，强化多技术联用。例如，可以尝试开发基于分子印迹膜的无标记电化学免疫传感器或者发展毛细管电泳-电化学发光、流动注射-电化学发光、固/液相微萃取-电化学发光等检测体系。另一方面，对静脉全麻药而言，由于服务的终极对象是人，人体体液样品事实上最具研究价值，故芯片分析技术将有广阔的用武之地。除去前面已谈到的微流控芯片，微阵列芯片同样值得关注。尤其要重点研究静脉全麻药在蛋白质芯片和DNA芯片上的吸附/脱附行为和作用机理，这对于寻找药物的结合靶点，理解药理、毒理及成瘾机制，制定合理的用药规则有着不可估量的现实意义。

3.2 制备纳米复合材料修饰电极

纳米材料由于具有特殊的尺寸效应、表面效应、电子效应、量子隧道效应和催化效应，在电化学检测中发挥了重大作用。而纳米复合材料由于有机整合了各组分的优点，更将上述优势发挥至极致。针对静脉全麻药光谱学性能好、电化学活性低的特点，目前可以考虑的纳米材料包括：高导电性能及催化性能的纳米贵金属颗粒、碳纳米管、石墨烯；强吸附性能的纳米金属氧化物；选择性高的纳米分子印迹膜；光电转换效能强的荧光量子点等。例如 “纳米贵金属颗粒+纳米分子印迹膜” 复合物，前者可以加快电子在电极界面和药物分子之间的转移速率，降低药物的过电位，促进氧化还原反应的进行，进而增强药物分子的电极响应信号。而后者就足以保证电极优良的分子识别及抗干扰能力。又如 “纳米金属氧化物+荧光量子点” 复合物，前者可以改善药物分子在电极表面的富集效果，增强响应信号。后者则具有很强的光催化活性，可以借助光电转换效应激发静脉麻醉药的电化学活性。两者协同作用，从而实现灵敏检测。这些纳米复合材料的制备，极大拓展了电极的使用性能，有助于构建高效直接的电流型传感器。故纳米材料的种类、尺寸、空间构型、合成、表征及组装方法的选择和优化，是值得深入探讨的。进一步地，如果能将纳米材料修饰电极微型化或阵列化，作为终端检测探头整合到特定分析系统中，将更能发挥电化学检测的优势与作用。

4 结语

最近二十年，静脉全麻药电化学检测领域发展迅速，成果丰硕。分子印迹、微流控芯片、免疫传感和多手段联用等技术获得了广泛应用，但仍存在化学修饰电极使用程度低及电流型传感器构建数量少等问题。预计未来的研究将会聚焦于深化检测技术联用和芯片分析及制备纳米复合材料修饰电极。