纳米复合物修饰电极在抗高血压及调血脂药物检测领域的应用进展

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 化学工程学院， 江苏 扬州 225127； 2. 扬州大学 化学化工学院， 江苏 扬州 225002 ）

高血压 （hypertension） 和高血脂（hyperlipoidemia）是两种病理不同却密切相关的常见慢性病，极易引起人体心脏、大脑、肾脏等重要器官一系列功能性或器质性损害（如心梗、中风、肾衰等），甚至死亡，已成为诱发心脑血管系统疾病的罪魁祸首[1]。国家心血管病中心2020 年发布的一项报告表明，我国现有高血压患者约2.45 亿，高血脂患者约1.6 亿[2]。由于这两种疾病难以根治，效费比最高的治疗手段就是长期进行药物控制。因而，抗高血压和调血脂药物的作用不言而喻，其品质检验也始终都是研究热点。长期以来，这两类药物的测定主要借助色谱、光谱、质谱、毛细管电泳、流动注射分析、固相/液相微萃取等分析方法及各种联用技术，取得了不错的效果，但也存在灵敏度低、耗时长、成本高等问题。近年来，纳米复合物修饰电极因具有出色的使用性能，广泛用于上述药物的检测分析，成果斐然。有鉴于此，本文简述最近十年该领域的发展及研究概况，以期能为医疗及制药行业的发展提供一定的参考。

1 纳米复合物的类别

从组成来看，广义的纳米复合物可分为三类：（1）传统型（Classic Type）：所有组分均为纳米材料，复合物集成各组分性能，发挥协同作用，实现最大功效，如“金属纳米颗粒+石墨烯”、“分子印迹膜纳米颗粒+碳纳米管”等体系。（2）混合型（Mixed Type）：主要组分中，部分为纳米材料，其余为特定的无机或有机物质。两者各自分工，前者体现纳米材料的固有特性（如导电性、吸附性、催化性等），后者往往起到分散剂、稳定剂、连接剂和传感平台的作用，甚至还可强化纳米材料的某些性质，如“碳纳米管+离子液体”“无机氧化物纳米颗粒+壳聚糖”等体系。（3）衍生型（Derivation Type）：主要组分为单一纳米材料，通过共价键合、掺杂、嵌入、沉积等方式，在表面或内部引入其他不同原子、分子或功能基团，纳米材料的稳定性、兼容性、亲/疏水性等某种性能得到改善，如“环糊精修饰的碳纳米管”“长链烷胺修饰的金属纳米颗粒”等体系。

2 纳米复合修饰电极的应用研究概况

常用的抗高血压药有五类：利尿剂、β-受体阻滞剂、血管紧张素转化酶抑制剂、血管紧张素II受体阻滞剂、钙通道阻滞剂。调血脂药有两类：HMG-CoA 还原酶抑制剂、苯氧芳酸类[1]。文献[3]已对前三类抗高血压药中的代表性药物氢氯噻嗪、普萘洛尔、卡托普利的纳米电化学传感器研究进展进行了描述，为避免重复，这里仅讨论后四类药物[3]。抗高血压药、调血脂药为数众多，考虑同一类型化学性质相似，面面俱到似无必要。因此，本文以国家卫健委、医保局、人社部近年来相继颁布的《国家基本药物目录（2018 年版）》及《国家基本医疗保险、工伤保险和生育保险药品目录（2020年）》为基础，选取临床上使用广、用量大、疗效好的成熟药物进行探讨。

2.1 在抗高血压药物检测中的应用研究

2.1.1 血管紧张素II 受体阻滞剂

又称为沙坦类药物，其通过阻断血管紧张素II 的缩血管作用，从而扩张血管、降低血压，代表性药物是氯沙坦（Losartan，LST）[1]。

Silva 等[4]将固定有碳黑纳米颗粒且呈现交联结构的壳聚糖修饰到玻碳电极表面，通过循环伏安法（CV）研究了LST 的电化学行为，发现其在电极上产生一不可逆氧化峰。采用方波伏安法（SWV）进行测定，检测限为0.479 μM。与传统的紫外-可见分光光度法（UV）对照，药样检测结果高度一致。Ghanbari 等[5]通过优化沉积电位和时间，在玻碳电极表面依次固载还原态氧化石墨烯（RGO）、壳聚糖、Au 纳米颗粒和 Zn 纳米花，得到纳米复合物修饰电极。借助扫描电镜（SEM）、X-射线衍射（XRD）、X-射线光电子能谱（XPS）、红外反射光谱（FT-IR）、拉曼光谱（Raman）进行表征。CV 结果表明，2H++2e-参与了LST 的电化学氧化过程。采用示差脉冲伏安法（DPV）进行测定，检测限为0.073 μM。Bagheri 等[6]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、2-2’-偶氮异丁腈为引发剂、氯仿为聚合溶剂，合成了一种高选择性的LST 分子印迹膜。将石墨粉、石墨烯纳米片、离子液体按一定比例混合后制备复合物修饰碳糊电极，再将分子印迹膜固定到电极表面，形成电位型传感器，呈现良好的能斯特响应。LST浓度线性范围为3.00×10-9~1.00×10-2M，跨越 7 个数量级，检测限为1.82×10-9M。传感器响应时间仅为6 s，稳定性至少3 个月，可用于药样及人体尿样分析。

2.1.2 钙通道阻滞剂

钙通道阻滞剂通过阻断心肌和血管平滑肌细胞膜上的钙离子通道，抑制细胞外钙离子内流，降低细胞内钙离子水平，从而松弛血管、降低血压[1]。一般分为两大类：

（1）二氢吡啶类

又称为地平类药物，代表性药物是氨氯地平（Amlodipine，ADP）[1]。

Emami 等[7]在玻碳电极表面依次固载多壁碳纳米管（MWCNTs）及聚L-甲硫氨酸功能化的Au纳米颗粒，得到修饰电极。CV 结果表明，电极能够催化ADP 的电化学氧化。采用DPV 进行测定，检测限为1 nM。Lou 等[8]以四水合醋酸镍（II）和钼酸铵作为前驱体，通过超声化学辅助合成方式，制备出多孔的“NiMoO4-壳聚糖”纳米复合物，借助能量色散 X 射线谱（EDX）、透射电镜（TEM）、SEM、XRD 和 CV 进行表征，并固载到玻碳电极表面。修饰电极对ADP 具有良好的电催化活性，吡啶环上的氨基发生不可逆氧化，2H++2e-参与其中，电极过程受扩散控制。采用DPV 测定，ADP 浓度线性范围为0.025~373.6 μM，跨越4 个数量级，检测限为 4.62 nM。Naikoo 等[9]在羧基化的多壁碳纳米管（MWCNTs）里滴加 Cu（NO3）2溶液，通过超声、搅拌、离心等方式，合成出固态f-MWCNTs/Cu 纳米颗粒杂化物，将其与碳粉、石蜡油按一定比例混合制备“f-MWCNTs-Cu 纳米颗粒”修饰碳糊电极，并进一步活化，然后在电极表面动态电位沉积Ag 纳米颗粒，得到最终的复合物修饰电极，借助XRD、SEM、CV 和电化学阻抗（EIS）进行表征。通过CV、EIS 和计时电量法研究了ADP 的电化学行为，发现其在电极上产生一不可逆的氧化峰，电极过程受吸附控制，2H++2e-参与反应，求得电子转移系数α 为0.254，表观电子转移速率常数kapp为9.39×10-5（cm·s-1），ADP在电极表面的吸附量为12.23×10-10（mol·cm-2）。采用方波吸附溶出伏安法进行测定，检测限为5.16×10-10M，可用于药样及人体血浆样、血清样、尿样分析。复合物中三种纳米材料之间的协同作用使ADP 的痕量检测得以实现。Fathirad 等[10]合成出一种导电性“离子液体聚合物-Fe3O4纳米颗粒”复合物，通过核磁（NMR）、FT-IR、XRD、SEM进行表征，并涂覆至玻碳电极表面。修饰电极能够大幅增加ADP 的氧化峰电流，降低过电位。电极过程不可逆且受扩散控制，存在2H++2e-转移，求得电子转移系数α 为0.44。采用DPV 进行测定，检测限为0.36 nM，低于诸多文献值。两种材料的结合，大幅提高了电极的导电性，加速了电极界面的电子转移。Beitollahi 等[11]制备了一种“磁性核壳型Fe3O4@SiO2纳米颗粒+MWCNTs”复合物修饰碳糊电极，采用SWV 可在实际样品中同时检测ADP 和氢氯噻嗪。Madhuri 等[12]通过还原乙二醇的方法合成出“Pd-Ag 双金属纳米颗粒+RGO”复合物，涂覆至玻碳电极表面，采用TEM 和EDX进行表征。ADP 在修饰电极上产生灵敏的氧化峰，采用DPV 进行测定，检测限为0.007 μM。在生物样品及药样中，电极能同时检测ADP、对乙酰氨基酚及多巴胺。Dehdashit 等[13]通过溶胶—凝胶法合成了一种掺Pt 的NiO 纳米颗粒，借助XRD、EDX、SEM 进行表征，并固定在MWCNTs修饰玻碳电极表面。采用DPV 进行测定，电极能同时测定ADP 和吡罗昔康，检测限为0.092 μM和 0.061 μM。Arvand 等[14]制备了一种“CeO2-Au纳米纤维+氧化石墨烯（GO）”复合物修饰玻碳电极，该复合物具有三维纳米网状结构，通过TEM、SEM、EDX、FT-IR 进行表征。其中，CeO2-Au 纳米纤维由电纺技术合成，然后在空气中进行退火处理。修饰电极对ADP 氧化的催化效果明显，采用DPV 进行测定，检测限为 2.5 nM。Atta 等[15]在阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠存在的情况下，制备了一种“NdFeO3纳米颗粒+甘氨酸+CNTs”复合物修饰碳糊电极，电极具有优良的导电性、表面抗污性、稳定性及巨大的比表面积，能加速电子转移，增强ADP 的电化学响应。药物浓度线性范围为0.003~200 μM，跨越5 个数量级，检测限为0.704 nM，能够实现ADP 和抗坏血酸的同时测定。此外，该小组通过逐层组装（layer-by-layer）的方式制备了一种“18-冠-6+RGO+离子液晶+MWCNTs”复合物修饰玻碳电极，将冠醚引入复合物中以增强选择性。修饰电极能够实现抗坏血酸、多巴酚丁胺、对乙酰氨基酚和ADP 的同时测定，四者的浓度线性范围依次为0.4~40 μM、0.02~40 μM、0.001~20 μM 和 0.008~30 μM，检测限分别为 9.24 nM、0.497 nM、0.0906 nM 和0.139 nM[16]。Arkan 等[17]制备了一种“石墨烯（GR）+壳聚糖”纳米复合物修饰玻碳电极，能够显著提高ADP 的氧化峰电流。测定时，检测限为0.6 μM。Amiri 等[18]发现对甲苯磺酰基功能化的C 纳米颗粒亲水性好，对ADP 有很强的亲和性，后者能强烈吸附在颗粒表面，这可能源于ADP 分子中的芳环与表面磺化C 纳米颗粒之间的π-π重叠作用。将纳米颗粒固载到玻碳电极表面，利用这种吸附作用，可灵敏检测ADP。实验结果表明，ADP 在电极上发生不可逆氧化，电极过程受吸附控制。属于Langmuir 吸附模式，求得结合常数为7.5×104M-1。采用DPV 进行测定，检测限为1.0 nM。

（2）非二氢吡啶类

非二氢吡啶类药物和钙通道空隙的结合位点与地平类不同，其不仅能降血压，还可以治疗心律失常，代表性药物是维拉帕米（Verapamil，VPM）和地尔硫草卓（Diltiazem，DTZ）[1]。

Oliveira 等[19]制备了一种聚烯丙胺膜功能化的MWCNTs 修饰玻碳电极，采用方波吸附阳极溶出伏安法在H2SO4溶液中测定VPM，检测限为3.6×10-9M，药样检测结果与UV 法无显著差别。Ahmed 等[20]构建了一系列“CNTs+TiO2纳米管”复合物修饰碳糊电极，碳糊中含有β-环糊精、壳聚糖或冠醚，可对VPM 进行电位测定，浓度线性范围宽至4 个数量级，检测限为μM 级。Attaran等[21]制备了一种Co3O4-SnO2纳米粉末修饰碳糊电极，发现DZT 在电极上产生一不可逆氧化峰，采用DPV 进行测定，检测限为15 nM，可用于药样及人体尿样、血浆样分析。Elfiky 等[22]通过水凝胶聚合物模板法合成了一系列具有三维层级结构、花簇状的“蒙脱石+ZnO”纳米杂化物，采用FT-IR、XRD、SEM、EDX、TEM 等进行表征。性能最优的杂化物具有最高的比表面积和最低的电阻率，其中，ZnO 纳米球的平均粒径为5.49 nm，组装成纳米柱。间距范围1.1~7.4 nm 的蒙脱石剥皮层包埋在柱中，形成最终的花簇状结构。复合物固载到电极上，修饰电极显示出优良的导电性和电催化活性。测定时，DZT 检测限分别为0.177 和0.21 nM。Gevaerd 等[23]通过调整组分含量比例，合成了一系列不同尺寸、由十二烷基硫醇包覆的Au纳米颗粒。将其固定到玻碳电极表面，选择电催化活性最高的Au 纳米颗粒作为传感物质。发现DZT 在修饰电极上可产生电化学响应，反应过程为EC 模式。采用线性扫描伏安法（LSV）进行测定，随着DZT 浓度增加，阴极峰电流线性下降，检测限为0.5 nM。

2.2 在调血脂药物检测中的应用研究

2.2.1 HMG-CoA 还原酶抑制剂

HMG-CoA 还原酶抑制剂又称为他汀类药物，其通过抑制HMG-CoA 还原酶活性，减少细胞内胆固醇合成，反馈性上调细胞膜表面低密度脂蛋白受体数量和活性，加速血清胆固醇清除，代表性药物是阿托伐他汀（Atorvastatin，ATV）[1]。

Bukkitgar 等[24]制备了一种“纳米 Si+ZnO 纳米颗粒”复合物修饰碳糊电极，通过CV 研究了ATV 在电极上的电化学行为及反应机理，发现加入ZnO 纳米颗粒能显著提升电极的催化性能，所提检测方法有望用于临床检验。Tavousi 等[25]合成了一种核壳结构的聚吡咯包覆Fe3O4纳米颗粒，采用 SEM、XRD、EDX、Raman、XPS、FT-IR 等进行表征。其和MWCNTs 组成的复合物固载于石墨电极表面，修饰电极能够催化ATV 的电化学氧化。采用SWV 进行测定，检测限为0.0230 μM，可用于药样及人体血清样分析。Kamalzadeh 等[26]在玻碳电极表面修饰了一系列薄层碳基纳米材料，包括CNTs、C 纳米颗粒、纳米金刚石—石墨、石墨纳米粉，在上述碳材料表面继续电聚合吡咯。结果表明，聚吡咯膜的形貌、厚度、稳定性受碳基材料的影响较大，聚吡咯和CNTs 组成的复合膜对ATV的电催化效果最好。该复合膜修饰电极能够完全抑制抗坏血酸、尿酸和多巴胺等物质的干扰。通过LSV 进行测定，检测限为 1.5 nM。Silva 等[27]通过微波等离子体化学气相沉积法在Ti 基片上合成了一种垂直排列的CNTs，然后在氧等离子体中制备CNTs-GO 电极。这种氧等离子体处理可以提高CNTs 的润湿性，对于增强其电化学传感性能相当重要。通过CV 研究了ATV 的电化学行为，发现其在电极上产生一不可逆氧化峰。采用示差吸附溶出伏安法进行测定，检测限为9.4 nM，药样及生物样品检测结果与UV 法相当吻合。

2.2.2 苯氧酸类

又称为贝特类药物，其通过活化脂蛋白酯酶，增强极低密度脂蛋白的分解代谢，加速甘油三酯降解，从而降低甘油三酯水平，代表性药物是苯扎贝特（Bezafibrate，BZF）[1]。

Ardila 等[28]合成了一种双十六烷基磷酸膜包覆的MWCNTs，将其涂覆在玻碳电极表面。通过CV 研究了BZF 的电化学行为，发现其在修饰电极上产生一不可逆氧化峰，电极过程受吸附控制，存在2H++2e-转移。采用方波吸附溶出伏安法进行测定，检测限为16 nM。Rajpurohit 等[29]首先在碳纳米纤维表面进行苯胺的原位聚合反应，然后通过还原氯铂酸，在复合膜表面均匀嵌入Pt 纳米颗粒，得到具有催化活性的纳米复合物。将复合物固定到碳糊电极表面，发现BZF 在修饰电极上能够发生电化学氧化，采用DPV 进行测定，检测限为2.46 nM，可用于药样及人体血清样、尿样分析。

3 纳米复合物修饰电极的材料特点

最近十年，纳米复合物修饰电极广泛用于抗高血压和调血脂药物检测，成果颇丰，整个领域的发展方兴未艾。仅从材料自身角度来说，主要有以下两个特点：

一是材料类型众多。其一，材料种类丰富，主要组分中既有碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒、无机氧化物纳米颗粒等普通材料，又有纳米纤维、纳米粉末等非常规材料。辅助组分中，既有壳聚糖、环糊精、冠醚、导电聚合物等传统材料，又有离子液晶等新兴材料。其二，结构形态多样，有诸如“离子液体聚合物-Fe3O4纳米颗粒”复合物体系的二维平面结构，也有像“蒙脱石+ZnO”纳米杂化物体系的三维层级结构；有简单的仙人球状的“巯基保护Au 纳米颗粒”，也有相对复杂的核壳型“Fe3O4@SiO2纳米颗粒”，更有令人惊叹的碳纳米管垂直阵列。材料类型的多样化显著扩大了电极修饰剂的范围，拓展了电极使用性能。

二是材料处理技术丰富。合成过程中，既有低成本、易操作的超声化学法、溶胶—凝胶法，又有耗时长、多步骤的电纺、微波等离子体化学气相沉积法；组装过程中，既有粗放的简单涂覆，又有精细的逐层有序组装；表征过程中，常规光谱学和电化学手段悉数上阵，从不同维度揭示材料的结构、形貌及性能。材料处理技术的多元化，不仅逐渐完善了相关学科理论，也进一步推动了现有工艺的发展。

4 纳米复合物修饰电极的应用展望

由于高血压、高血脂是两种影响甚众、难以治愈的慢性病，绝大多数患者需长期服药。因此，对两类药物的相关研究势必持续进行，纳米复合物修饰电极在检测领域将会有广阔的应用前景。围绕电极检测效能提升，预计未来有以下几点值得关注。

第一，高灵敏度。公开的文献中，很多修饰电极在简单体系中的检测限已达nM 级。但在面对人体血样、尿样等生物样品时，如不进行预处理，实现μM 级检测都很困难。因此，提高材料的导电性能和催化性能十分关键，可行性较高的思路是将纳米光催化剂修饰到电极上[30]。绝大部分降压药和降脂药都是大环或杂环化合物，位阻大，电子转移较为困难，但光谱学性能却比较好。因此，可利用药物与光催化剂在反应时的相互作用，借助光电转换效应，加快电子转移，增强电化学响应信号，从而提高检测灵敏度。可以考虑将光吸收能力好、转换效率高、催化活性强的稀土发光材料纳入复合物体系，这方面的研究目前尚属空白。

第二，高选择性。联合用药或复方制剂是临床上治疗高血压、高血脂的有效手段，多组分分析意义重大。如果配方中的组分分属不同类型，分子结构迥异，电化学活性差异明显，识别相对容易，因此，真正的难点在于如何有效区分同类型药物或手性药物，这有利于提高用药安全性。同类型药物由于分子结构相似，电化学活性相差不大，响应信号高度重叠。而呈现镜面对称的手性药物，响应信号则更是完全等同。可能的解决办法就是制备高维度、具有特定空腔结构的纳米复合物，将杯芳烃、冠醚、环糊精、卟啉、酞菁、金属-有机框架材料、分子印迹膜等超分子体系引入复合物中，通过空间匹配度的差异来进行选择性识别。尤其对于手性药物，这方面的研究才刚刚起步[31]。

第三，高稳定性。依现有文献来看，绝大部分纳米复合物都是通过混合制备而成，分散性差，易团聚。在材料组装过程中，涂覆方式占据主流。两种因素叠加，导致复合物在电极表面只能发生不稳定的物理吸附，势必影响检测结果的重复性和电极使用寿命。有效的应对方法就是逐层有序组装以稳定复合物结构，强化物理/化学气相沉积、电镀、电聚合、离子注入/渗入、刻蚀、掺杂、共价键合等表面精饰手段的运用，这方面目前已有少量报道[16]。

第四，易再生性。总体来看，碳基纳米材料应用相对较多，优势在于其吸附性强，可以提高药物分子在电极界面的微区浓度，增强响应信号。问题是吸附过强易导致洗脱性差，难以从电极表面清除药物分子及产物，形成“堵塞”效应，电极表面无法及时更新，影响后续检测。一种合理的思路是构建低成本、轻质化、一次性的非碳基纳米复合物修饰丝网印刷电极，可部分解决再生性问题[32]。

第五，易兼容性。拙于分离是电化学检测的固有缺点，单纯依靠纳米复合物修饰电极依然难以实现免预处理生物样品的快速检测。较为可行的办法是将电极有效整合到高效液相色谱、电泳、固相微萃取、流动注射等分析系统中，通过技术联用，发挥各自所长，以获得最高的检测效能[33]。唯有如此，才有可能真正将电极应用于实际临床检验。