基于纳米复合物的β2受体激动剂电化学传感器研究概述

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)

β2受体激动剂是一类能够激动分布在气道平滑肌上的β2受体产生支气管扩张作用的药物，临床上广泛用于治疗支气管哮喘和慢性阻塞性肺疾病[1]。此外，其又属于体育赛场上禁用的兴奋剂，部分药物甚至还可作为非法食品添加剂“瘦肉精”[2-3]。基于β2受体激动剂的多重属性与用途，如何对其有效检测一直都是研究热点。近年来，大量高性能纳米复合物电化学传感器用于此类药物的检验分析，作用显著，成果斐然。有鉴于此，本文对最近十年该领域的研究进展进行简述，探讨未来可能的发展趋势，以期能为药品质量监控、违禁药物检测及农兽药残留分析等方面提供有益的参考。

1 纳米复合物的定义及特点

简单地说，纳米复合物是一种包含多组分的均相或多相体系，其中至少有一种组分或相的形态处于纳米尺度。主要包括三种类型，即：不同纳米材料的组合、纳米材料与特定无机或有机物质的组合、特殊功能化的纳米材料。如“碳纳米管+金属纳米颗粒”、“石墨烯+离子液体”、“环糊精修饰的量子点”等体系。复合物在保持纳米材料基本特性(如吸附性、催化性、导电性)的前提下，集各组分性能之长，发挥协同效应，在同一体系中能够展现出比单一组分更多的性质，如分子识别性、亲/疏水性、分散性、稳定性等。固定到电极上，可以显著加快电子转移速率，有效促进氧化还原反应的进行，大幅增加目标分子在电极界面的微区浓度，从而增强响应信号，提高检测灵敏度。

2 研究进展概况

根据药效维持时间长短，β2受体激动剂一般可分为两类：短效型代表药物有沙丁胺醇(Salbutamol，SAL)、特布他林(Terbutaline，TER)，长效型代表药物有班布特罗(Bambuterol，BAM)、福莫特罗(Formoterol，FOR)、丙卡特罗(Procaterol，PRO)、茚达特罗(Indacaterol，IND)、妥洛特罗(Tulobuterol，TUL)，这些均为我国目前生产、销售和使用的品种[1]。

2.1 短效型

(1)沙丁胺醇

SAL是一种临床应用广、疗效好、安全性高的短效型β2受体激动剂，自20世纪60年代问世以来就一直备受关注[1]。有关其电化学检测目前主要采用两种方法：

一是高效能的纳米复合物电化学免疫传感器。其以纳米复合物为载体，通过固定抗原或抗体，借助抗原-抗体之间的特异性识别作用对目标物实施快速检测，具有极高的灵敏度和选择性。其中，纳米复合物主要起检测平台的作用，并且通过自身优异的吸附或导电性能，来进一步放大响应信号，再结合免疫反应专一性的特点，传感器大多能检测低至pM、甚至fM的样品，可直接用于分析免预处理的复杂生物试样，一般分为标记和免标记两种类型。不过，此类传感器最大的问题在于构建过程复杂，电极再生性差，使用成本高，尤其是纳米复合物的种类、结构和抗原(或抗体)的固定方法对检测效能有着显著影响，制约了其进一步的推广应用。

Wang等合成了一种Ag-Pd合金纳米颗粒，将其和还原态氧化石墨烯(rGO)一起固载到丝网印刷碳电极上形成复合电化学生物传感器。前者用来标记抗体，并产生响应信号；后者则作为电极材料以固定抗原，并放大信号。通过竞争免疫反应，在0.01～100ng/mL范围内，可同时测定莱克多巴胺、克伦特罗和SAL，检测限分别为1.52、1.38和1.44pg/mL，可用于猪肉样分析[4]。Wang等合成了一种具有3D结构的rGO@Ni泡沫，然后在其表面电化学沉积MnO2纳米花，可以此制备免结合剂的生物传感器。其对莱克多巴胺和SAL均有良好的电催化作用，采用示差脉冲伏安法(DPV)，利用两者峰电位的差异可实现同时测定，检测限分别为11.6和23.0nM，可用于猪肉样分析，结果准确度堪比高效液相色谱法(HPLC)[5]。Huang等制备了一种由Au纳米颗粒、普鲁士蓝、聚苯胺/聚丙烯酸双层膜、Au-GR杂化物所组成的复合物，以此构建了一种超灵敏电化学免疫传感器。其中，前三者用以提高传感器的电催化活性和稳定性，而杂化物则用来固定壳聚糖、Au纳米颗粒及辣根过氧化物酶(HRP)-SAL抗体，所形成的纳米结构作为标记物。GR因具有较高的比表面积和导电性，不仅起固定作用，还能加快HRP、H2O2和电极之间的电子转移。测定时，SAL浓度线性范围为0.08～1000ng/mL，跨越4个数量级，检测限为0.04ng/mL，可用于饲料样和猪肉样分析[6]。Cui等制备了一种三明治型的SAL电化学免疫传感器，其构建过程为：SAL一级抗体通过其结构中的氨基与十二烷基苯磺酸钠功能化GR中的磺基发生交联反应而形成共价键合。在介孔分子筛SBA-15表面还原H2PdCl4得到Pd纳米颗粒，进而形成Pd@SBA-15复合物，并通过戊二醛与SAL二级抗体结合。此外，加入离子液体以加速电子转移，其与Pd@SBA-15之间的协同效应使二级抗体的生物活性得以保留。该传感器测定SAL时，检测限为7pg/mL，所采用的技术方案可用于构建其它肿瘤标志物免疫传感器[7]。Liu等制备了一种超灵敏电化学免疫传感器，其中，“壳聚糖-Fe3O4-聚酰胺-胺树状大分子-Au纳米颗粒”复合物作为固定化基质，用以增强电极的电活性和稳定性；而“HRP-MWCNTs-SAL抗体”生物共轭体则作为标记物，用来提高电极的催化活性。测定时，SAL浓度线性范围为0.11～1061ng/mL，跨越4个数量级，检测限为0.06ng/mL，可用于实际样品分析[8]。Lin等构建了一种一次性免标记物阻抗型免疫传感器，以无模板的方式，在丝网印刷碳电极表面先后电化学沉积Au纳米颗粒和金字塔型Au纳米结构，最终形成海胆状的Au纳米复合物，并进行后续表面修饰。将SAL抗体共价键合到电极表面，形成最终的传感器。通过EIS进行测定，SAL浓度线性范围为0.1pg/mL～1μg/mL，跨越7个数量级，检测限为4fg/mL，可用于人体血清样分析，比欧盟最低标准还要灵敏1000倍(<3ng/mL)[9]。基于类似的思路，该小组又构建了另一种免疫传感器，主要区别在于：一是蛋白A及牛血清白蛋白的加入，这是因为其对抗体有很高的亲和性，可导致抗体定向固定。二是前者使用单克隆抗体，这里却使用单价抗体，更适合无标记物检测。测定时，SAL检测限则达到更低的0.2fg/mL[10]。

二是单纯的纳米复合物电化学传感器。此类传感器中，纳米复合物同时起到分析平台和检测探头的作用，通过整合集成不同材料后所展现的综合性能(尤其是导电性能、催化性能和吸附性能)，往往优于单一纳米材料，因而检测灵敏度和选择性会有所提高。此外，传感器制备方法相对简单、成本低廉，材料可任意组合，要求并不严苛。其不足之处在于复杂环境下的组分分析非其所长，不能直接用于检测未经预处理的实际样品，尤其是生物试样，检测限一般情况下也难以突破nM级，在某种程度上限制了其实际应用。

Li等合成了一种Ag、N共掺的rGO，然后以SAL为模板分子，邻苯二胺为功能单体，在rGO表面进行原位电聚合，制备了一种分子印迹膜。整个复合物具有多孔结构，结合了rGO高催化活性及印迹膜高选择性的优点。以其为基础构建的传感器测定SAL，检测限为7nM，可用于人体尿样和猪肉样分析[11]。Sun等合成了一种由聚乙烯吡咯烷酮分散的rGO、Au纳米颗粒及金属-有机框架材料ZIF-8所组成的纳米复合物，用以修饰玻碳电极。通过X-射线衍射(XRD)、红外反射光谱(FT-IR)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、能量色散X射线谱(EDX)、电化学阻抗(EIS)等对电极进行表征。结果显示，电极表面具有大量孔隙结构，有利于SAL的吸附及促进电子转移，1H++1e参与了SAL的电极反应。电极具有很高的灵敏度、选择性、稳定性和再现性，测定时，检测限为1.00×10-12M，达到pM级，可用于猪肉样分析[12]。Santos等制备了一种“功能化石墨烯(GR)+离子液体+Ag纳米颗粒”复合物修饰玻碳电极，采用方波伏安法(SWV)，利用氧化峰电位的差异，能够同时测定SAL和普萘洛尔，检测限分别为13和17nM，可用于生物体液样品分析[13]。Karuwan等合成了一种GR-聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐纳米复合物，其分散液作为油墨，通过喷墨打印机沉积到丝网印刷碳电极表面。与裸电极相比，SAL在修饰电极上的氧化峰电流约为前者的150倍。测定时，检测限为1.25μM，且不存在基质效应[14]。Latwal等合成了一种纳米结构的Cu2[Fe(CN)6]，TEM结果表明，其由不规则的椭圆形和棒形颗粒组成，粒径为70～100nm。由它和碳纳米管(CNTs)组成的复合物修饰玻碳电极，可催化SAL的电化学氧化，使峰电位降低约90mV[15]。Cao等制备了一种“多壁碳纳米管(MWCNTs)+壳聚糖”复合物修饰玻碳电极，对SAL的电化学氧化具有催化活性，测定时，检测限为0.086μM，可用于药样分析[16]。Kutluay等制备了一种“聚叔戊酸+MWCNTs”复合物修饰玻碳电极，能够催化SAL和尿酸的电化学氧化并予以识别区分，通过SWV可在尿酸存在下选择性测定SAL，检测限为1.2×10-8M[17]。Rajkumar等制备了一种“聚牛磺酸+ZrO2纳米颗粒”复合物修饰玻碳电极，通过循环伏安法(CV)、EIS和SEM对其进行表征。发现莱克多巴胺和SAL分别于+0.65V和+0.71V产生氧化峰，电极过程受吸附控制。修饰电极可用于猪肉样和人体尿样分析[18]。Rajaji等合成了一种石墨碳氮化物修饰的Bi2Te3二元纳米片，并固载到丝网印刷碳电极表面。该复合物通过结合两种纳米材料之间的静电作用以及SAL与纳米片表面之间的电荷辅助作用，提高了电极的电催化活性。采用DPV进行测定，SAL浓度线性范围为0.01～892.5μM，跨越5个数量级，检测限为1.36nM，可用于鸡肉和红肉样分析[19]。

(2)特布他林

Li等在玻碳电极表面电聚合了一层聚精氨酸膜，再将GR-Nafion分散液涂覆在聚合膜表面并干燥。修饰电极对TER有良好的电催化作用，测定时，检测限为1.2×10-8M[20]。Gopal等在玻碳电极表面依次固载GR和MWCNTs，通过CV、SEM和EIS进行表征。研究了TER在电极上的电化学行为，发现其电极过程受扩散控制。测定时，检测限为6.527×10-7M，可用于药样分析[21]。Baytak等制备了一种“ZrO2纳米颗粒+MWCNTs”复合物修饰玻碳电极，通过EDX和SEM进行表征。发现TER在修饰电极上产生一灵敏的氧化峰，与玻碳电极相比，峰电位降低了约125mV，峰电流则大幅增长。采用SWV进行测定，检测限为2.25nM，可用于药样分析[22]。Teker等通过超声的方法合成了一种“Eu2O3纳米颗粒+MWCNTs”复合物，通过EDX、XRD和SEM进行表征，并固载于玻碳电极表面。修饰电极能催化TER的电化学氧化，Eu2O3纳米颗粒增加了电极的表面积，提高了检测灵敏度。采用SWV进行测定，检测限为3.7×10-9M，可用于药样分析[23]。

2.2 长效型

(1)班布特罗、福莫特罗

Zhang等在搅拌条件下，通过逐步滴加的方式合成了一种电活性纳米复合物GO@BAM-四苯硼钠(TPB)，将复合物与成膜物质混合形成溶液，涂覆在Pt电极表面成膜并在室温下干燥，得到最终的离子选择电极。测定时，BAM浓度线性范围为1.0×10-1～1.0×10-6M，跨越5个数量级，检测限为3.4×10-7M。电极响应时间仅为15s，使用寿命可达12周，可用于猪尿样分析[24]。Khalil等以BAM-TPB为离子对、邻苯二甲酸二丁酯为塑化剂、NaTPB为亲脂性阴离子添加剂合成一种敏感膜，固载到CNTs修饰碳糊电极上形成电位型传感器，通过EIS和TEM进行表征。BAM在电极上产生能斯特响应，浓度线性范围为1×10-7～1×10-2M，跨越5个数量级，检测限为3.2×10-8M。电极响应时间不超过10s，热稳定性高，使用寿命至少4个月[25]。此外，该小组以碳糊电极为基底，将MWCNTs、钛酸盐纳米管和花朵结构的Mg-Al双氢氧化物层结合在一起，构建了三种电位型传感器。BAM在电极上均产生能斯特响应，浓度线性范围至少跨越4个数量级，检测限可达10-8M级，可用于药样、人体血浆样和尿样分析[26]。Gan等合成了一种蛋黄-壳结构的CuO@SiO2微球，通过FT-IR、XRD、SEM、TEM等进行表征，并固载到玻碳电极表面。修饰电极可对FOR的电化学氧化产生催化作用，测定时，检测限为5.0nM，可用于猪饲料样和组织样分析[27]。

(2)丙卡特罗、茚达特罗、妥洛特罗

Kong等在羟基化玻碳电极表面固载了一层“MWCNTs+聚乙烯醇”复合物，然后继续电聚合一层聚谷氨酸膜，形成修饰电极，可催化PRO的电化学氧化。测定时，检测限为8.0×10-9M，可用于药样和人体尿样分析[28]。Atty等制备了一种“TiO2纳米颗粒+离子液体n-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐”复合物修饰碳糊电极，通过SEM、EIS等进行表征。研究了NID在电极上的电极反应机理，通过SWV进行测定，NID浓度线性范围为2.00nM～200.00mM，跨越8个数量级，检测限为500pM，可用于药样、人体血浆样、尿样分析及药品含量均匀度测试[29]。Huang等通过混合高分散性的GR及Au纳米线，得到复合物，并固载到玻碳电极表面。修饰电极对TUL具有良好的电催化活性，测定时，检测限为1.36×10-8M[30]。

3 总结与展望

最近十年，纳米复合物电化学传感器在β2受体激动剂检测领域大放异彩，高质量成果层出不穷。整个领域呈现如下几个特点：

就复合物而言：一是碳基纳米材料使用较多。石墨烯、碳纳米管等因具有高导电性和比表面积，绝大多数传感器都是以其为基础平台而构建。二是无机纳米颗粒应用广泛。Au、Ag、Pd等贵金属纳米颗粒电催化活性优异，加速电子转移。Fe3O4、ZrO2、TiO2等氧化物纳米颗粒吸附性能强大，促进药物分子在电极表面的富集。三是辅助成分偏向传统。Nafion、壳聚糖、离子液体、聚合物、分子筛等经典材料占据主流，这是因为它们具有较强的兼容性和成膜性能，适合酶、蛋白等生物大分子的固定。

就传感器而言：一是电化学免疫传感器为数众多。标记型和免标记型各自存在，电流型和阻抗型相互补充。正是免疫分析技术的应用，灵敏度得以大幅提高，检测限达到nM级实属正常，低至pM、fM级也在情理之中。同时，特异性识别的工作原理，使传感器具有极强的抗干扰性能，在分析猪肉样、饲料样、人体血样、尿样等复杂样品时发挥了无可替代的作用，效果显著。二是碳质基体电极悉数上阵。玻碳电极、碳糊电极、丝网印刷碳电极等频繁使用，这是因为碳质材料电位窗口宽，稳定性强、吸附性好，适合后续的表面修饰。三是构建模式丰富多样。既有简单的滴涂，又有复杂的电聚合，更有精细的逐层组装等诸多方式。不同的制备手段导致纳米复合物结构存在一定差异，进而影响检测效能。

随着人们对用药安全、兴奋剂滥用和农兽药残留等方面日益重视，β2受体激动剂必然将长时间受到关注，相关检测研究会持续进行，构建高灵敏度纳米复合物电化学传感器始终都是重点。预计今后可在以下几个方向开展工作：

一是拓展分子印迹膜的应用。对于药物品质监控，检测限一般达到μM级即可，无需引入免疫分析。问题在于，受药剂中糖衣、糊精、溶剂、共生物等因素的干扰，普通的纳米材料电化学传感器选择性往往不佳，如不对试样进行预处理，响应信号通常会出现大幅重叠，无法进行有效区分。分子印迹技术通过制备对模板分子(目标物)具有选择性的聚合物，模拟酶-底物或抗体-抗原之间的相互作用，从而对模板分子进行专一性识别。可将分子印迹膜整合到导电性纳米材料中，借助组分间的协同作用实现选择性测定[31]。

二是发展高效免疫传感器。β2受体激动剂作为兴奋剂和食品添加剂，大量摄入会对人体造成严重危害，必须严格控制其浓度水平。对于生物样品中药物及其代谢物的检测，以常规固体电极为基础的电化学免疫传感器体积庞大，构建过程复杂、成本高、便携性差、分析耗时长、无法满足现场快检要求。与之相比，丝网印刷电极结构小巧、材质轻便、廉价、一次性、集成化，不受大小形状限制，可批量制作，基于其制备的纳米电化学免疫传感器简单、高效，非常适合实际临床分析及有毒、有害物质监测[32]。

三是构建电化学发光检测体系。电化学发光是一种结合电化学手段和化学发光方法的分析技术，具有灵敏度高、选择性好、可控性强、应用范围广、设备简单、昂贵试剂消耗少等优点，能够进行原位分析，可直接对样品进行测定。β2受体激动剂基本上都是含有羟基、氨基等电化学活性基团的芳香族化合物，本身就容易发生氧化-还原反应，且中间过程易产生不稳定的自由基，极可能出现化学发光现象，故通过分析发光强度来实现药物及代谢产物的定量分析是可行的。如果能将生物兼容性好、荧光效率高的量子点引入检测体系中，再结合高特异性的免疫分析，传感器的检测效能将会出现倍增[33]。

4 结语

最近十年，纳米复合物电化学传感器广泛应用于β2受体激动剂的检测，成效显著，整个领域发展日新月异。随着人们对用药安全、兴奋剂滥用和农兽药残留等方面日益关注，预计未来相关研究将聚焦于拓展分子印迹膜的应用、发展高效免疫传感器、构建电化学发光检测体系等三个方面。