β受体阻滞剂电化学检测研究新动向评析21

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 )

β受体阻滞剂(俗称洛尔类药物)是一类能够选择性地与β肾上腺素受体结合，从而阻断神经递质及儿茶酚胺对β受体激动作用的药物，广泛用于治疗高血压、冠心病、心力衰竭、心肌梗死、心绞痛、心律失常等心脑血管疾病，被视为心内科“万能药”[1]。其通过抑制交感神经活性来控制心率，大多具有一定的镇静作用，因而在一些体育赛事(如射击、射箭、赛车、滑雪等项目)中属于违禁药物[2]。鉴于β受体阻滞剂重要的临床价值，长期以来，该类药物的相关检测研究一直颇受关注。电化学方法简单、灵敏，在这方面独树一帜。纳米电化学传感器近年来更是大放异彩，成果斐然。本文立足领域现状，着重探讨、评点近期一些新的研究动向，以期能为药学、化学、材料学等学科的发展提供些许参考。

限于篇幅，这里仅选取实际应用较广的几类代表性药物进行讨论，分别是：(1)同时阻断β1和β2受体：普萘洛尔(Propranolol，PRO)、索他洛尔(Sotalol，SOT)、噻吗洛尔(Timolol，TIM)、吲哚洛尔(Pindolol，PIN)。(2)选择性阻断β1受体：阿替洛尔(Atenolol，ATE)、美托洛尔(Metoprolol，MET)、比索洛尔(Bisoprolol，BIS)、醋丁洛尔(Acebutolol，ACE)、倍他洛尔(Betaxolol，BET)。(3)同时阻断α1和β受体：卡维地洛(Carvedilol，CAR)[1]。

1 研究动向概述

总体来看，围绕纳米电化学传感器检测效能提升，近年来学界在四个方面进行了一系列新的尝试。

1.1 修饰材料

一般来说，传感器使用性能的优劣主要取决于工作电极表面的修饰材料。就现状而言，纳米复合物占据主流，其在保持纳米材料基本特性(导电性、吸附性、催化性)的前提下，整合不同组分，发挥协同效应，实现最大功效。目前研究得最多的是“碳纳米管(或石墨烯)+贵金属纳米颗粒”及“碳纳米管(或石墨烯)+特定有机物(如离子交换剂、离子液体、环糊精、壳聚糖、沸石分子筛等)”两大体系[3-4]。这其中，主成分为碳纳米管(CNTs)或石墨烯(GR)，作为检测平台，具有较强的导电性。辅助成分则是贵金属纳米颗粒或特定有机物，前者主要起催化作用，加速电子转移，促进氧化还原反应的进行。后者作为分散剂和稳定剂，不仅要分散溶解主成分，也通过自身的亲/疏水性和生物兼容性来富集药物分子，提高药物在电极界面的微区浓度以增强响应信号。上述体系组成简单，分工明确，其缺点在于：一方面，贵金属纳米颗粒因表面电荷密度高，易于团聚，导致粒径粗大，均一性差。并且由于催化活性过强，接触干扰物质后电极容易失活。另一方面，离子交换剂等有机物虽然富集作用显著，但自身导电性弱。一旦过量使用，反而大幅抑制响应信号，降低检测灵敏度。

因此，一些研究者尝试对修饰材料进行改性，并初获成效。

（1）纳米颗粒表面功能化。通过引入特定功能基团，降低电荷密度，削弱粒子间相互作用，减少发生团聚沉降的概率。这些基团大多具有较长的碳链和极大的位阻，阻碍干扰物质靠近，从而使纳米颗粒的催化活性得以维持。

Silva等将氨基功能化的六边形介孔Si填充至碳糊电极中制备修饰电极，修饰剂具有较高的比表面积、较大的孔隙容积和准球形结构，借助氨基和药物分子中氧原子之间的氢键作用，使药物能够顺利通过针孔渗透到电极表面并富集。基于PIN、ACE和MET各自不同的氧化峰电位，通过示差脉冲伏安法(DPV)可实现三者的同时测定，检测限则分别为0.1、0.046和0.23 μM，可用于废水样分析[5]。Mohamed等将氯化硝基四氮唑蓝修饰的Au纳米颗粒填充至碳糊电极中，所得修饰电极大幅提高SOT的响应信号。在阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠存在下，检测限为2.5×10-8M，可用于药样和人体尿样分析[6]。Perez等将平均粒径7.5 nm、羧基化的磁性Fe3O4纳米颗粒固定在石墨环氧树脂电极表面，得到修饰电极。通过循环伏安法(CV)研究了SOT的电化学行为，发现其在720和920 mV产生两个氧化峰。采用DPV测定，检测限为0.015 μM[7]。Haidyrah等通过超声的办法对斜方晶系的Sb2O3纳米棒进行表面硫化处理并固定到电极表面，由于修饰材料各向异性，电极对ACE具有良好的催化作用。测定时，浓度线性范围为0.001~101.4 μM，跨越5个数量级，检测限低至0.8 nM，达到pM级，可用于人体血清样和尿样分析[8]。

（2）采用无机氧化物纳米材料。与通常基于络合酸还原法制备的贵金属纳米颗粒相比，通过溶胶-凝胶法或水热法合成的无机氧化物纳米颗粒表面电荷密度大幅下降，相互作用力弱，分散性好，吸附性及生物兼容性强。某些具有尖晶石结构的磁性纳米颗粒或钙钛矿结构的稀土氧化物纳米颗粒，往往还表现出较高的催化活性及光电转换效率。

Dehnavi等将一种“TiO2纳米颗粒+多壁碳纳米管(MWCNTs)”复合物沉积到铅笔芯石墨电极表面后得到修饰电极，借助CV、 扫描电镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDX)、红外反射光谱(FT-IR)、电化学阻抗(EIS)进行表征。采用DPV测定PRO，检测限为2.1×10-8 M，可用于药样和生物样品分析[9]。Hosseini等制备了一种“Cu2O-CuO纳米颗粒+还原态氧化石墨烯(rGO)”复合物修饰碳糊电极，借助CV、EIS、SEM、FT-IR、X-射线衍射谱(XRD)等进行表征。基于对乙酰氨基酚、叶酸和PRO三者之间明显的峰电位差异，采用DPV可实现同时测定，检测限分别为0.004、0.006和0.011 μM，可用于人体尿样和血浆样分析[10]。

Shaterian等通过水热法合成了一种“CoFe2O4纳米颗粒+GR”磁性复合物，借助SEM、XRD、EDX等进行表征。结果显示，CoFe2O4纳米颗粒平均粒径为30 nm，均匀分布在GR纳米片中，整个复合物很适合作为传感材料用于检测ATE[11]。Ensafi等通过柠檬酸盐溶胶-凝胶法合成一种“NiFe2O4纳米颗粒+MWCNTs”磁性复合物，固定到电极表面后，可催化SOT的电化学氧化。采用线性扫描伏安法(LSV)测定，检测限为0.09 μM，可用于药样和人体尿样分析[12]。Valian等通过简单、环保的Pechini法合成了一种具有磁性、光学活性及导电性的DyMnO3-ZnO纳米复合物，具有呈现各向同性的球状结构。该复合物修饰的碳糊电极对ATE有良好的电催化作用，可用于药样和生物样品分析[13]。Chen等通过湿化学法合成了具有类似玫瑰花瓣结构，呈现光、电双重催化活性的YMoO4纳米片。其修饰的玻碳电极能催化ACE的电化学氧化，检测限为2.5 nM。在可见光照射下，还可用于ACE的光降解[14]。

（3）引入分子印迹膜。分子印迹是指基于分子与功能单体的自组装或预组织，在引发剂的作用下通过光或者热等引发方式，与功能单体及大量交联剂形成共聚的技术。基于其合成的具有选择性吸附和特异性识别功能的聚合物称为分子印迹聚合膜(MIP)。普通纳米材料一般都具有较强的反应活性，表面如无特殊空腔结构，基本上能等幅催化各类电活性物质，导致响应信号重叠而难以区分，而MIP却恰好可以实现类似“抗原-抗体”免疫反应专一性识别的效果。

Coelho等首先合成了一种高选择性的CAR-MIP，再通过混合-超声的方法，制备出“MWCNTs+MIP”复合物，固定到玻碳电极表面后得到修饰电极。通过CV研究了CAR的电化学行为，发现其产生两对不可逆的氧化还原峰，电极过程受吸附控制。测定时，检测限为16.14 μM，抗坏血酸、葡萄糖、尿酸等电活性物质均不干扰测定[15]。Mourad等以甲基丙烯酸为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，BIS为模板分子，偶氮二异丁腈为引发剂，合成了一种高选择性的BIS-MIP。填充至碳糊电极中得到电位型传感器。电极对BIS电位呈现能斯特响应，浓度线性范围为1.0×10-7~1.0×10-2 M，跨越5个数量级，检测结果准确度堪比传统的高效液相色谱法(HPLC)[16]。

（4）试验有机纳米材料。长期以来，β受体阻滞剂电化学传感器大多基于无机纳米材料构建，种类有限，极大制约了改进空间，另辟蹊径转向性能优异的有机纳米材料实属必然。例如，金属-有机框架材料(MOF)、超分子配合物等就具有突出的光学和电磁学性能，中心金属原子或离子通常具有较高的催化活性，甚至还可以和药物分子中的某些原子形成配位键，得到稳定性不同的二维或三维分子结构，从而极大提高识别能力。

Haghighi等合成了一种“Ti基MOF+rGO”复合物，其修饰的玻碳电极表面具有很多活性点位，能够促进电子转移，大幅降低PRO的氧化过电位，增加峰电流。测定时，检测限为0.008 μM，可用于药样和人体尿样分析[17]。Mutharani等通过超声波照射合成了热敏性纳米复合物，其由聚(苯乙烯-N-异丙基丙烯酰胺)和WO2纳米颗粒杂化而成，并固定到玻碳电极表面。在最低临界共溶温度附近进行控温，利用聚合物在不同温度下对WO2纳米颗粒释放能力的差异这种所谓“开-关”功能来影响电子传递。处于“开”的状态下测定MET，检测限为0.03μM，可用于人体血清样分析[18]。

1.2 基体电极

基体电极是电化学传感器构建的基础和载体，决定了传感器的基本特性。目前来看，β受体阻滞剂电化学检测绝大部分都在玻碳电极、碳糊电极、石墨电极等碳基固体电极上实施，它们具有电位窗口宽，稳定性高、吸附性好、易于修饰、适用多种介质等优点。但缺点同样明显：背景电流高、干扰信号大；连续使用后表面钝化效应显著，响应再现性差；体积庞大、再生过程繁琐，难以用于快检。一种可能的解决办法就是应用一次性丝网印刷电极，其轻质小巧、形式多样、功能集成、成本低廉、可批量制作，尤其适合现场高效检测。

Khairy等通过普通的水热法合成出平均宽度200 nm、厚度30 nm的六边形MgO纳米片，将其悬浮液滴涂至丝网印刷石墨电极表面并干燥，所得修饰电极能够催化硝苯地平和ATE的电化学氧化。结果显示，两者的电极过程分受吸附和扩散控制，等量的H+和e-参与反应。基于两者350 mV的氧化峰电位差，采用DPV可同时测定，检测限分别为0.032和1.76 μ M，可用于药样和人体尿样分析，结果与HPLC法吻合[19]。Yamuna等以乙基纤维素为乳化剂，通过超声乳化方式剥离铅笔芯石墨，对所得糊状物进行超声、离心、并用水分散溶解。将悬浮液滴涂至丝网印刷碳电极表面，干燥后得到修饰电极，能对ACE的电化学氧化进行催化。ACE的电极过程在低扫速下受扩散控制，高扫速下则受吸附控制。反应存在中间产物，并有等量的H+和e-参与。采用DPV测定，浓度线性范围为0.01~200 μM，跨越4个数量级，检测限为4 nM[20]。

1.3 制备工艺

修饰电极的制备工艺关系到传感器的稳定性和使用寿命。当前绝大部分纳米材料都是通过直接滴涂或混合填充的方式固定到基体电极表面，虽然操作简单，但成膜速度过快，膜层和基体电极间仅通过较弱的物理吸附作用来实现粘接，导致传感器的稳定性低，信号波动性大。较为理想的构建办法是通过牢固的共价键合或逐层组装方式。前者的关键在于形成共价键的自组装分子需具有双官能团，首端固定在基质上，尾端与纳米粒子键合；后者则主要通过静电引力交替组装形成稳定的超结构。

Prunranu等首先通过电聚合方式于玻碳电极表面沉积了一层谷氨酸膜。然后在EDC/NHS存在下，使L-半胱氨酸中的氨基键合到聚合膜中的羧基上。再让其末端的巯基来固定平均粒径40 nm、由柠檬酸盐包覆的Au纳米颗粒，从而形成稳固的Au-S键。ATE在电极上可发生电化学氧化，采用LSV测定，检测限为3.9×10-7M[21]。Afonso等通过燃烧合成工艺制备BiVO4-Bi2O3纳米复合物，通过逐层组装方式将其固定在ITO(导电玻璃)电极表面，分别形成1、3、5、10和15层。结果表明，层数为3层时，电极的电化学性能最优。ATE在电极上发生不可逆氧化，2H++2e-参与电极反应，检测限为0.459 μM，可用于药样和人体尿样分析[22]。

1.4 检测方法

检测方法的优劣极大影响传感器的工作效率和分析精度，单纯的CV、DPV、LSV等电化学检测方法受电极材料性能、目标物组成等因素的影响，某些情况下依然存在灵敏度低、选择性差等问题，目前常用的应对措施就是融合其它分析技术协同解决。

(1)电致化学发光

电致化学发光(ECL)是一种将电化学手段与化学发光方法有机结合的一种分析技术，集成了电化学电势可控和发光分析灵敏度高的优点，选择性强，可进行原位分析，适合反应机理研究，尤其是芳香族杂环化合物的检测分析。

Zhu等通过简单的溶剂热法合成了石墨样的氮化碳纳米片，其不仅是一种新型发光体，还可以作为手性选择剂，固定到电极表面后，利用明显的ECL信号差异能有效区分PRO光学对映体，通过计算结合常数和水相接触角实验阐明了相应的手性识别机理[23]。戢凯伦等利用静电吸附作用合成了一种“钌硅纳米粒子+聚乙烯亚胺”复合纳米粒子，以其作为ECL探针，结合PRO-MIP，构建MIP-ECL传感器。测定PRO，检测限为5.4×10-13M，可用于人体血清样分析[24]。

(2)化学计量学

化学计量学是一门化学与统计学、数学、计算机科学交叉产生的新兴学科，在构建仿真模型、优化测量过程、解析实验数据、探求反应机理、预测实验结果等方面发挥了重要作用，非常适合复杂样品及多组分分析，尤其是手性分子识别。

Alamein等将主成分回归法、偏最小二乘法等与CV、DPV等伏安分析方法结合，采用Fe2O3纳米颗粒修饰碳糊电极实现了TIM和溴莫尼定的同时测定，检测限分别为1.37×10-5和1.31×10-6μg/mL。其中，采用偏最小二乘法后，检测结果与HPLC法一致[25]。Khoobi等采用MWCNTs糊电极在人体血浆样中同时测定BET和ATE，在响应信号重叠的情况下，将多元曲线分辨-交替最小二乘法与DPV结合，充分采掘信息，检测限分别为0.19和0.29 μM[26]。Stoian等在玻碳电极表面电化学沉积了一层L-半胱氨酸修饰的Au纳米颗粒，将分子动力学模拟和DPV、EIS相结合，研究了PRO光学对映体与Au纳米颗粒之间的相互作用。结果表明，S-PRO的氧化峰电流约是R-PRO的2倍，氧化峰电位比后者负移了约40 mV。意味着Au纳米颗粒与S型对映体的结合力较弱，电子也越容易传递，自由能也更高。计算模型表明：正是L-半胱氨酸与PRO对映体之间的氢键导致产生了电化学识别信号[27]。Kalambate等将磺丁基-β-环糊精嵌入到C纳米纤维中得到复合物，并固定到玻碳电极表面。采用DPV研究了氨氯地平、克伦特罗和MET各自光学对映体在修饰电极上的响应信号，发现所有对映体之间均存在氧化峰电位差，说明电极具有手性识别能力。通过主-客体化学及热力学方法，计算出不同对映体与环糊精之间的结合常数，提出了识别机理。指出S-氨氯地平、R-克伦特罗和R-MET与环糊精之间的结合力更强，带负电荷的环糊精适合作为手性选择剂[28]。

2 总结与展望

最近十年，纳米电化学传感器广泛用于β受体阻滞剂的检测，成效显著。针对存在的问题，学界在修饰材料、基体电极、制备工艺、检测方法等方面做了大量新的尝试，取得一定进展。总体来看，对修饰材料的探索最为深入，这是因为材料的合成及表征技术已日臻完善，改性相对容易。与之相反，制备工艺的发展却长期停滞不前。受纳米材料自身性能限制，滴涂(或混合)成膜方式至今仍是主流，电镀、物理气相沉积、喷涂、离子注入、掺杂、刻蚀等表面精饰方式依然应用寥寥。加之有序组装技术过于精细、繁琐，实用性不强，故这方面的成果乏善可陈。而基体电极和检测方法的研究则方兴未艾。

围绕传感器检测效能提升，在持续推进及深化上述研究的情况下，预计未来还有两个方向值得关注：

一方面，强化同分离技术联用的研究。电化学方法拙于分离，即使采用纳米材料也难有作为。对于人体血样、尿样等成分复杂的生物样品，如不进行预处理，实施稳定、准确的电化学检测几无可能。纳米材料优异的吸附性和催化性，往往会同等增强分析物和干扰物的信号强度，响应重叠、无法区分的情形比比皆是。分子印迹膜固然可以大幅提高选择性，洗脱程序却极为繁琐，严重影响检测效率。免疫分析虽然灵敏度最高，但传感器构建过程过于复杂，且需使用昂贵的生物试剂，性价比低。化学计量学等方法纵然可以辅助检测，可应用条件苛刻，仅具理论意义，实用性不强。通常情况下，需要在测定前通过分离手段对样品进行预处理，尽可能除去潜在的干扰物质，才能最大限度保证电化学检测效果。因此，应加强同高效液相色谱、固相/液相微萃取、电膜萃取、毛细管电泳、流动注射分析等手段的联用，将修饰电极作为检测探头，应用到分离系统中，各司其职，充分发挥“分离-电化学检测”的整体效果，确保结果的准确性。

另一方面，强化修饰电极的微型化、阵列化研究。实现现场快检的一个重要前提就是分析系统的小型化、集成化和便携化，最常用的就是微流控芯片。现有的纳米电化学传感器离商业化生产及应用还相距甚远，这是因为常规工作电极体积庞大，难以整合到微全分析系统中。只有将电极彻底微型化，才可能引入到芯片中。此外，单一电极的响应信号强度终有上限，在有限空间内，如能将批量的微型电极阵列化，就可能实现所谓的“集束效应”，从而倍增检测灵敏度。

3 结语

β受体阻滞剂具有重要的临床价值，最近十年，纳米电化学传感器广泛用于此类药物的检测，成果丰硕。围绕传感器检测效能提升，学界近年来在修饰材料、基体电极、制备工艺、检测方法等方面做了大量新的尝试，取得一定进展，未来需强化同分离技术联用以及修饰电极微型化、阵列化等两个方面的研究。