基于纳米材料的电化学传感器在生物碱检测中的研究进展

李秋月，周 昊，汤洪波

(1.宜春学院 江西省高校应用化学与化学生物学重点实验室，江西 宜春336000；2.宜春职业技术学院，江西 宜春 336000)

1 生物碱概述

生物碱(alkaloids)是指一类具有环状结构的含氮有机化合物，且大部分为氮杂环并含有孤电子对，因其能接受质子而显碱性[1]。生物碱种类繁多，遍布较广，主要存在于高等植物中，也有学者曾在某些脊椎和无脊椎动物体内分离得到了生物碱。宋龙等[2]从罗氏海盘车中分离出2个生物碱类化合物并发现其中一种具有一定抗肿瘤活性。

大量研究和试验证明生物碱的治疗用途广泛，其药理作用主要包括以下几个方面，抗肿瘤、抗菌抗病毒、抗心血管疾病、抗炎镇痛、杀虫作用等[3]。该类化合物在医药卫生等行业发挥着重要的应用潜力，越来越多地适用于临床治疗领域。 Wangchuk等[4]通过琼脂井扩散法和其它多种技术相结合发现了不丹药用植物中的两种生物碱均具有抗肿瘤和抗菌活性。Juge等[5]人采用静脉注射的方式来研究lepadiformine类生物碱对动物心血管系统的影响，发现其具有抗心律失常的特性，可使血压恢复正常值。因此，对生物碱类化合物进行简单可靠和高灵敏的分析测定仍是探索的主要方向，该项研究对临床诊断和人类健康具有积极推动的作用。

2 生物碱的传统检测方法

生物碱的检测方法种类繁多，其中有气相色谱法(GC)[6]、薄层扫描法(TLC)[7]、高效液相色谱法(HPLC)[8]及相关联用技术[9]等。对比其它检测技术，电化学传感器以敏感材料为识别系统，选择性与待测物发生作用，再利用电极将化学参数转导成电化学信号输出来进行分析检测的装置[10]。该分析方法成本较低，操作简便，还能与电极修饰技术结合使用，以实现高灵敏度。修饰材料补充后的电极在性能方面得到大幅度提升，不管是在反应时间、IR、记忆效应、还是检测等方面得到了显著的改变，而且修饰膜牢牢粘附在电极表面上，具有较好的再现性和抗干扰能力，易于准备和使用，从而成为研究的热点[11]。本文评述了近几年来用于检测生物碱的电化学传感器的研究成果及应用，重点放在纳米材料的应用方面，并对其未来研究方向和进展进行展望。

3 不同界面材料的电化学传感器在生物碱检测中

的应用

在不断改进电化学传感器性能的过程中，引入了纳米材料的应用。纳米材料是指尺寸在1-100 nm范围内的纳米粒子，既包括金属材料，也包括无机非金属材料和高分子物理材料等，因其特有的纳米级尺寸，具备了表面与界面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应，较高反应活性以及电子转移能力等特点，在电化学传感器的制备中得到广泛应用[12]。其中，碳纳米材料，贵金属纳米材料，金属氧化物纳米材料，复合纳米材料等在非酶电化学传感器中的研究发展过程中起到了比较有效的推动作用[13]。

3.1 碳纳米材料电化学传感器

1958年，[14]Adams等在电化学实验中提出来一种新型电极，即碳基电极。该电极使用了碳(石墨)粉末，开启了碳纳米材料在电化学电极和传感器制备过程的的广泛应用。碳纳米材料具有比表面积大、生物相容性好的特点，作为电极的界面材料可以提高其他催化活性材料的负载量；因其良好的导电性而容易结合其他修饰材料，并使其功能化。其中，石墨烯、碳纳米管、介孔碳、富勒烯等碳材料被广泛应用于电化学传感器中。下面主要综述碳纳米管和石墨烯两种。

3.1.1 碳纳米管

碳纳米管是由石墨片组成的一维纳米管体，六角型网格结构连接完美。该纳米材料在电化学分析中，具备降低检测线，提高灵敏度，以及减少表面污染的特性。Rezae等[15]在玻碳电极上用多壁碳纳米管(NWCNNT)做修饰材料，通过循环伏安法检测蒂巴因，结果表明相对于裸玻碳电来说，NWCNNT修饰的电极明显提高了蒂巴因氧化的电子转移速率与检测的灵敏性。根据实验数据得出其测定条件较广，可在PH2.0-10.0宽的范围内测定，检出限为0.23μM，从而开发了一种简单方便的方法来分析人尿中的蒂巴因。

碳纳米管具有良好的柔韧度、很高的轴向强度和刚度，因而可以作为增强体来构建复合材料[16]。碳纳米管在提纯时步骤较简便，且纯度较高，杂质少，成本较低。但也存在一些缺陷，例如在制备过程中对所用设备的要求较严格，纳米管之间的对接操作繁琐，功率消耗也大。

碳纳米管可以和聚合物形成复合材料，分为两种类型，第一种以碳纳米管为主体；Thirumalra等将聚L-赖氨酸(PLL)电聚合在多壁碳纳米管上，制得的f-MWCNT/ PLL复合物具有出色的电催化活性和生物形容性，可快速检测棕榈碱，检出限为0.12 um[17]。第二类是以聚合物为主体，碳纳米管为填充材料。 Devi等[18]在实验中用聚苯胺(PANI)这一导电聚合物与碳纳米管组成复合膜，促进了电子转移反应的能力，并制备了黄嘌呤生物传感器。该传感器并有较好的稳定性和灵敏度，并已应用于鱼肉中黄嘌呤的测定。另外也有研究者将金属纳米粒子和碳纳米管复合，以及金属纳米粒子、聚合物、碳纳米管一起复合制备电化学传感器用于生物碱的分析。

3.1.2 石墨烯

石墨烯是具有独特单层片状结构的二维碳纳米材料，较高的比表面积决定其可以附着各种分子材料。该材料被广泛应用于生物碱的精准检测中，常见的使用如多巴胺的测定。

庄贞静等[19]分别制备了基于石墨烯的碳糊电极(GPE)和基于石墨粉的碳糊电极(CPE)，并对两种电化学传感器在K2Fe(CN)6溶液中的电化学行为进行对照，发现石墨烯修饰电极对电子转移表现出良好的促进作用。分别用GPE和CPE电极在抗血酸的干扰下检测多巴胺，结果表明GPE电极对DA具有良好的选择性响应，检出限为0.8 μmol/L，并具有较好的稳定性和重现性，可用于实际样品的测定。

研究发现，利用氧化石墨烯(GO)制备的电极性能得到增强，采用电化学反应以还原GO能够提高电化学传感器对多巴胺的检测灵敏度，并且制备得到的电极比较稳定[20]。吕洋等[21]将GO分散液滴注在GCE上，制备了ERGO-GCE电化学传感来测定多巴胺。该传感器表现出高的电催化活性，DA的峰电流与其样品浓度在0.5-60 μmol/L之间呈线性关系，检出限为0.5 umol/L。将氧化石墨烯通过电化学反应来还原，可以弥补以往化学还原法中有杂质生成的缺陷，同时避免了采用化学还原法去除含氧物种对石墨烯性质的影响，例如降低电子性质并削弱其电化学性能等缺点。因此通过电化学还原氧化石墨烯的方法既便捷又绿色，节约成本，被广泛应用。

用石墨烯和其它物质形成的复合材料修饰电极制备成新型的电化学传感器来检测生物碱。舒晓莉等[22]采用电沉积法合成了一种聚叶酸/石墨烯复合膜修饰的电极，用于对茶碱和咖啡因的同时检测。在实验中，研究者利用电化学和扫描电镜对复合膜进行表征分析。结合实验数据表明，该电化学传感器表现出优越的电催化性能，并且在宽的线性范围内对待测物的灵敏度检测有明显增加。茶碱和咖啡因的检出限分别为0.03 umol/L和0.08 umol/L，其检出限较低，并可满足实际应用。该项研究也为茶碱和咖啡因在药物分析及临床诊断中的精确检测提供有力方法和工具。

3.2 金属纳米颗粒电化学传感器

金属纳米材料属于无机功能材料，具有较高的导电性、较小的颗粒尺寸、较大的比表面积等特性，因而活性催化位点多，能够增强待测物与电极间的电子转移速率。常用的金属纳米材料有Au、Ag、Pt、Cu等。Oren等[23]设计了一种纳米金-玻碳糊复合电极(AuNP-GCPE)构成的电化学传感器，可对咖啡因进行快速灵敏的伏安测定。实验表明，在GCPE结构中引入AuNP增加了电流值，促进了咖啡因在电极表面的氧化过程。纳米金的修饰为电极表面增加了稳定性，消除了氧化产物在电极表面的吸附。金属纳米材料可以与其它一种或两种及以上材料结合形成复合膜修饰电极，从而改善传感器检测性能。

Atta等[24]在实验中尝试以二茂铁羧酸(FC1)为介体，夹在聚3，4-乙二氧基噻吩(PEDOT)和金纳米粒子之间(PEDOT/介体/Aunano)，成功制备出一种新型的电化学传感器来检测人尿样品中的吗啡。结果表明，因含有纳米金的导电聚合物基体中引入了二价铁离子和极性取代基团，从而提高了薄膜的导电性，使该传感器在电子转移速率和电催化活性方面的性能明显增强。该修饰电极的检出限为21 nmol/L，并取得了满意的回收率。此外，PEDOT/FC1/Aunano复合物成功地用于同时测定吗啡、抗坏血酸、尿酸的三级混合物以及吗啡/抗坏血酸和吗啡/多巴胺的二元混合物。

3.3 纳米金属氧化物电化学传感器

纳米金属氧化物是根据金属材料纳米材料的应用衍生出来的一个研究方向。CuO、Fe3O4、TiO2、Fe2O3和ZnO等为电化学研究中常用的金属氧化物纳米材料。该类材料大多具备较好的热稳定性，较低的毒性，明显的化学惰性等，并且生物相容性好，可作为优良的电极修饰材料[25]。 Khoshhesab[26]用简单的方法将CuO纳米颗粒负载到石墨烯纳米片上，设计出了一种新型的纳米复合材料，成功制备了电化学传感器。在研究中通过扫描电子显微镜、X射线衍射等多种技术对纳米结构进行表征，图谱表明其具备良好的电化学活性、较快的电子传递速率、较高的比表面积和优异的防污性能，提高了传感器表面的氧化峰电流，并能采用差分脉冲法来实现对对乙酰氨基酚、咖啡因和抗坏血酸的快速同时测定。

3.4 复合纳米材料电化学传感器

复合纳米材料是将纳米材料与其他一种或多种材料相结合，从而形成一种新型的材料。该复合材料具有单一材料所不具备的特殊理化性质，并可表现出各个组成部分的优势，而且其组成部分可以相互作用产生协同增强效应。许多研究表明，利用复合纳米材料制备的电化学传感器在药物分析及分析化学等领域展现了更加优越的性能。

有研究者将DPA与还原性氧化石墨烯相结合用于铅笔石墨的电化学改性电极(RGO / DPA / PGE)表面，用于检测尼古丁，并在实验中制备了DPA/PGE作为比较电极，结果证实了使用石墨烯/DPA复合材料制备的电化学传感器与只用DPA修饰的电化学传感器相比，其电化学性能更理想，在实际样品测定中具有很高的灵敏度与选择性，检出限(LOD)为7.6uM[27]。Mekassa等[28]构建了一种聚(l-天冬氨酸)/功能化多壁碳纳米管复合修饰电极P(L-Asp)/ f-MWCNTs / GCE，用来实现对咖啡因和茶碱的同时测定。在检测样品的过程中，复合电极的峰值电流进一步增强，高于在单个聚合物和纳米管改性电极上的响应。实验数据表明，修饰材料之间的协同作用，有效地增强了复合电极的电催化活性，促进了待测物与传感器之间的电子转移速率，从而构建出性能优越的电化学传感器。

4 结论与展望

针对目前的纳米材料电化学传感器在检测生物碱应用中的研究现状，在实际样品的检测中，还存在诸多问题需要改进和研究，针对实际应用中出现的问题，可以不断弥补缺陷，改良技术，不断研发新型纳米材料等，从而获得更紧密优良的传感器来提高响应性，实现对微量有效成分的精密测定。通过不断地延伸和探究来使电化学传感器检测的范围和适用性得到进一步地拓展，从而更好的发展和造福于人类。纳米材料还有更广阔的的研究前景，使用单一的纳米材料传感器，其检测结果往往没有纳米材料复合体更加理想。所以研究者们更倾向于研究和开发新颖的纳米材料复合体，还可以将纳米材料与功能聚合体、生物分子等多种材料相结合，根据结合手段和材料差异，性能也会有所区别。未来的研究仍需倾向于多元材料的复合，进一步探究纳米复合材料的微观结构和接触相界面的结构特性，发掘生物碱电催化氧化的机理，从而更有利于进行该类纳米复合修饰材料的设计和研究。