阿片类镇痛药检测电化学传感器的研究进展

陈小阳，陈锦阳，黄迪惠

（1.安溪县医院，福建安溪 362400；2.福建师范大学，福州 350117；3.福建技术师范学院，福建福清 350300）

0 引言

阿片类镇痛药是一类具有麻醉、镇痛功效的化合物，其通过大脑和脊髓中存在的阿片受体起作用。临床上常用的阿片类镇痛药有吗啡、芬太尼、美沙酮、丁丙诺啡、羟考酮和可待因等[1]。除此之外，曲马多是一种弱阿片类镇痛药，由于人体对其具有相对较低的依赖性和其自身的不良反应较小，被广泛用于缓解轻度至重度疼痛，但长期滥用也会导致一些不良后果[2]。

人的中枢神经系统十分复杂、敏感和脆弱，在临床上使用阿片类镇痛药物时必须十分谨慎，在不影响镇痛作用的前提下还要严格控制其在人体血浆中的剂量（或含量）。所以，为了快速、便捷、灵敏地检测阿片类镇痛药和实时监测血浆中的药物浓度，研究者建立了多种分析方法，主要包括色谱、光谱、质谱、分光光度法、毛细管电泳、流动注射分析、荧光、酶联免疫分析、比色分析、电化学以及各种联用技术等[3-6]。采用电化学方法的电化学传感器具有小型化、便携性、成本低廉、响应迅速、灵敏度高、选择性好、操作简便、样品处理量大等优势[7-9]，可用于检测阿片类镇痛药。为了获得较低的检出限、复杂基质的准确检测和较短的检测时间，研究者开发了多种多样改进的电化学传感器。最主要和最常见的改进电化学传感器是使用工作电极与改性材料提升检测性能，例如纳米管、纳米纤维、纳米颗粒、不同尺寸的碳材料、导电聚合物、金属氧化物、离子液体、石墨烯基材料和新技术复合材料。

本文对近年来常见的阿片类镇痛药检测电化学传感器的研究进展进行综述，并提出未来的发展趋势。

1 吗啡检测电化学传感器

吗啡是海洛因和可待因的最终代谢产物，同时也是临床常用的麻醉药品。2016 年，Bagheri 等[10]使用基于Zn2SnO4-石墨烯纳米复合材料改性的碳糊电极（carbon paste electrode，CPE）构建电化学传感器，利用示差脉冲伏安（differential pulse voltammetry，DPV）法同时检测吗啡和可待因。结果表明，Zn2SnO4-石墨烯/CPE 检测吗啡是基于转移了双电子和双质子的一个吗啡电化学氧化过程，与石墨烯/CPE、Zn2SnO4/CPE 和未改性的裸CPE 相比，Zn2SnO4-石墨烯/CPE表现出更强的峰电流。该传感器同时检测吗啡和可待因时，在0.020～15 μmol/L 范围内表现出优良的线性响应，检出限分别为11 nmol/L 和9 nmol/L。

2020 年，Bahrami 等[11]采用石墨粉、石蜡油和静电纺丝磁性纳米纤维对CPE 进行改性，构建了一种新型吗啡检测电化学传感器，如图1 所示。静电纺丝磁性纳米纤维通过将亚铁和氯化铁的混合物按1∶2的比例采用静电纺丝方法加热3 h 得到。吗啡在采用该纳米纤维修饰CPE 构建的电化学传感器上的氧化机理为3 个电子和3 个质子的转移，吗啡检测的线性范围为3.3～55 μmol/L，检出限为1.9 nmol/L。构建的传感器具有高度稳定性、选择性和可重复性，用于实际样品分析具有高重现性，且实际样品分析结果和高效液相色谱法分析的结果一致。

图1 采用石墨粉、石蜡油和静电纺丝磁性纳米纤维对CPE 进行改性构建电化学传感器示意图[11]

2021 年，陈瑾等[12]构建了一种基于羧基化多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）修饰电极的电化学传感器用于吗啡的快速检测。首先将MWCNTs 羧基化，然后采用滴涂的方式将其修饰于打磨并表征后的玻碳电极（glassy carbon electrode，GCE）表面，采用DPV 电化学方法实现对吗啡的快速定性、定量分析。该传感器在优化检测条件后，检测吗啡的标准工作曲线在0.1～100 μmol/L 范围。

2021 年，夏晓娟等[13]利用铁卟啉（PAF-40-Fe）修饰电极的手段构建了吗啡检测电化学传感器，通过DPV 法对吗啡的电化学信号进行简单快速检测。实验结果表明，在最佳条件下，氧化峰电流与吗啡的浓度在1.5～1 500 μmol/L 范围内呈现出良好的线性关系，R2=0.994 5。该传感器的检出限为0.5 μmol/L，回收率为88.9%～105.3%，具有选择性好、制备简单和检测快速等优点，有较好的应用前景。

2022 年，Hadi 等[14]基于TbFeO3/CuO 纳米复合物修饰丝网印刷电极（screen-printed electrode，SPE）构建了一种选择性好和灵敏度高的吗啡检测电化学传感器。结果表明，与未修饰的SPE 相比，修饰后的电极具有更高的吗啡氧化峰电流，吗啡检测的标准工作曲线在0.07～300.0 μmol/L 范围内表现出较宽的线性响应，吗啡的检出限为10 nmol/L。采用该传感器可成功检测实际样品中的吗啡，回收率为96%～104.3%。

吗啡检测电化学传感器的研究重点在于修饰电极。因此，研究人员构建了具有多种改性剂（如纳米材料、聚合物和金属材料）的电化学传感器，以提高吗啡分析性能。此外，使用不同的工作电极（如CPE、GCE 和SPE）是获得更高灵敏度和更低检出限的另一种方法。总之，吗啡检测电化学传感器应具有选择性、低检出限、快速分析等特点，研究人员应继续致力于修饰电极的改进以提高传感器检测性能。

2 芬太尼检测电化学传感器

芬太尼在很多国家已被列为高风险药物，于1960年由Paul Janssen 首次合成，并在外科手术中用作静脉麻醉剂[15]。2019 年，Barfidokht 等[16]构建了一种基于可穿戴手套的电化学传感器，可以检测和识别粉末或液体形式的芬太尼。该传感器由基于离子液体和WMCNTs 混合物修饰的丝网印刷碳电极（screen printed carbon electrodes，SPCE）制备而成。修饰电极采用MWCNTs-聚乙烯亚胺和离子液体4-（3-丁基-1-咪唑啉）-1-丁烷磺酸酯的复合材料，由一层琼脂糖凝胶保护，在检测粉末样品的情况下也起到导电介质的作用。由于电解质浓度有限，芬太尼粉末样品在0.76 V（相对于Ag/AgCl）处表现出尖锐而明显的峰。而液体样品检测的峰值则在0.65 V 处，检出限达到10 μmol/L。这种“手套实验室”传感器与便携式电化学分析仪相结合，可将数据通过无线传输到智能手机进行进一步处理。

2019 年，Goodchild 等[17]用室温离子液体（room temperature ionic liquid，RTIL）1-丁基-1 甲基吡咯烷双（三氟甲基磺酰）亚胺构建了芬太尼检测电化学传感器。RTIL 的疏水性及其阳离子的存在有助于实现更广阔的潜在应用窗口以及更大的电极界面。除了应用DPV 法和方波伏安（square wave voltammetry，SWV）法等方法，该传感器还采用循环方波伏安（cyclic square wave voltammetry，CSWV）法，有助于快速筛选和鉴定芬太尼，比传统的循环伏安（cyclic voltammetry，CV）法具有更高的灵敏度和峰值分辨力。该传感器检测芬太尼的检出限为5 μmol/L。

2020 年，Naghian 等[18]通过锌基金属有机骨架[Zinc（ii）-based metal organic framework，Zn（ii）-MOF]修饰SPCE，构建了一种用于检测芬太尼的简单电化学传感器。SPCE 的改性通过滴铸Zn（ii）-MOF 材料来完成，此改性增加了电极的比表面积，增强了电极的电子转移。SPCE 修饰电极在0.6 V 电位处出现芬太尼氧化峰，而未修饰电极则在0.8 V 电位处出现芬太尼氧化峰。该研究通过DPV 法评估了该传感器的定量检测能力，发现芬太尼的检出限为0.3 μmol/L，检测标准曲线稳定在1～100 μmol/L 范围内。此外，该传感器除了对尿液和人血浆表现出99%～104%的相对回收率外，还显示出优异的选择性。

2020 年，Ott 等[19]采用阳极预处理炭作为工作电极表面，用于构建芬太尼检测电化学传感器。采用该传感器在细胞和液滴上检测芬太尼，氧化峰值分别出现在0.75 V 和0.88 V 电位，检出限分别为（0.037±0.017）μg/mL 和（0.233±0.025）μg/mL。

2020 年，Sohouli 等[20]构建了一种基于碳纳米离子（carbon nanions，CNOs）的零维纳米结构的芬太尼检测电化学传感器。以纳米金刚石（NDs）为原料，在1 650°C 惰性气氛下进行高温热处理，然后在400°C的空气中退火制备CNOs，如图2 所示。CNOs 用于改性GCE 以构建芬太尼检测电化学传感器。该传感器响应呈线性关系，芬太尼浓度为1～60 μmol/L 时检出限为300 nmol/L。另外，该传感器的实际样品分析显示，回收率为96%～105%，表明该传感器的精度良好。

图2 用于芬太尼检测的电化学传感器的构建示意图[20]

2020 年，Mishra 等[21]构建了一系列多模态空心可穿戴微针传感器，用于同时检测单个贴片上过量的阿片类药物和有机磷酸盐（organophosphates，OP）。该系列传感器分别依靠未修饰电极和基于有机磷水解酶（organophosphorus hydrolase，OPH）的微针电极来检测芬太尼和OP 神经毒剂。该系列传感器的制造方式使其容纳了4 个微针电极，其中3 个电极用碳浆填充，2 个电极作为工作电极，1 个电极用作辅助电极，1 个电极（银丝）用作参比电极。未修饰的电极用于检测芬太尼，检出限为50 nmol/L。基于OPH 的微针电极可用于检测20～14 μmol/L 范围内的吗啡，氧化峰出现电位在0.7 V，可以与0.2 V 处芬太尼的氧化峰区分开来。

对于芬太尼的电化学检测，研究人员开发了多种形式（如可穿戴手套式、RTIL 式、多模态可穿戴微针式和修饰电极式等）的改进传感器，以提高分析性能。使用不同的修饰电极材料（如零维碳纳米离子材料、CNTs 和金属有机骨架材料等）和不同的电化学方法（如DPV 法、SWV 法、CSWV 法和CV 法等）是获得更灵敏和更有效结果的方法。为了更方便、快捷、灵敏地分析实际芬太尼样品，研究人员应在电化学传感器微型化和结合纳米技术发展等方面继续研究。

3 美沙酮、丁丙诺啡和羟考酮检测电化学传感器

美沙酮是一种阿片受体激动剂，其药理作用与吗啡相似，镇痛效能和持续时间也与吗啡相当[22]。所以研制能够快速、灵敏检测美沙酮的电化学传感器具有重要意义。

2021 年，Khorablou 等[23]用基于金纳米颗粒/聚噻吩改性碳布的柔性表面构建了美沙酮检测电化学传感器（如图3 所示）。该传感器能够检测29～49 μmol/L范围内的美沙酮，检出限为14 nmol/L。2022 年，Baghayeri 等[24]构建了基于Ag 纳米颗粒修饰石墨烯的电化学传感器，用于测定人血清中的美沙酮。该传感器能够检测1～200 μmol/L 范围内的美沙酮，检出限为0.12 μmol/L，还可以检测实际样品。同年，Habibi 等[25]构建了一种基于CMK-5 有序介孔碳的电化学传感器，其有序介孔碳为分子的电化学检测提供了高比表面积电极。该传感器可用于同时检测吗啡和美沙酮，检出限分别为0.027 μmol/L 和0.021 μmol/L。

图3 美沙酮检测电化学传感器构建过程示意图（A）和美沙酮的氧化机理示意图（B）[23]

丁丙诺啡是一种部分阿片类激动剂，可能会妨碍疼痛管理，因此通常在手术前停用[26]。1991 年，Debrabandere 等[27]结合高效液相色谱法和电化学检测法构建了检测丁丙诺啡及其主要代谢产物的电化学传感器，该传感器检测丁丙诺啡和主要代谢产物的检出限分别为250 pg/mL 和100 pg/mL。1993年，Schleyer 等[28]也采用高效液相色谱法和电化学检测法构建了检测血浆和尿液中的丁丙诺啡和去甲丁丙诺啡的电化学传感器，该传感器检测丁丙诺啡和去甲丁丙诺啡的检出限为40 pg/mL。2017 年，Farmany等[29]合成了一种球形稳定的单分散磁性纳米晶体，用于构建丁丙诺啡检测电化学传感器。该传感器检测丁丙诺啡的线性范围为0.02～68.0 μmol/L，检出限为4.3 nmol/L。该传感器可应用于人血浆和尿液样本中微量丁丙诺啡的检测，且无需任何预处理和分离步骤。

羟考酮是骨科手术中最常用的阿片类药物，具有良好的术中和术后镇痛疗效[30]。2020 年，Mynttinen等[31]构建了一种由全氟磺酸（Nafion）涂层结合单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）电极组成的羟考酮检测电化学传感器，该传感器能够检测0.5～10 μmol/L 范围内的羟考酮，检出限为85 nmol/L。2021 年，Khosropour 等[32]也构建了基于聚三聚氰胺甲醛氧化石墨烯复合材料的羟考酮检测电化学传感器，该传感器检测羟考酮的标准工作曲线在0.01～45 μmol/L 范围内，检出限为2 nmol/L。

美沙酮、丁丙诺啡和羟考酮检测电化学传感器的研究重点在于工作电极材料。为此，研究人员依靠纳米材料和纳米技术开发了多种多样材料电极的改进传感器，以提高分析性能。随着先进纳米材料的进一步开发和应用，此类电化学传感器的性能将进一步提升。

4 可待因检测电化学传感器

可待因作为一种阿片类药物，可以为少数患有急性术后牙痛的人提供镇痛[33]。2015 年，杨兰兰等[34]利用硅溶胶的成膜性、纳米二氧化钛-氧化锌具备大比表面积及导电胶的粘结性等优势，制备了纳米二氧化钛-氧化锌/硅溶胶/导电胶复合材料，并基于该复合材料将联吡啶钌固定到金电极表面，构建了磷酸可待因检测电化学传感器。在优化的实验条件下，可待因浓度在1.0×104～1.0×107mol/L 范围内与电化学发光强度呈良好的线性关系（R2=0.997 3），检出限为2.56×108mol/L。该传感器表现出良好的重现性与稳定性，连续平行测定1.28×105mol/L 可待因溶液10 次，发光强度的相对标准偏差为2.7%；室温下保存10 d 后，发光强度为初始值的92%以上。另外，该传感器测定可待因药物实际样品的加标回收率为99.3%～102.5%。总之，该传感器检测复方磷酸可待因具有灵敏度高、线性范围宽和检出限低等特点。

2018 年，Mohamed 等[35]以腺嘌呤官能化的海绵状石墨烯复合材料为电化学检测法磷酸可待因的电化学催化剂构建磷酸可待因检测电化学传感器，该传感器在检测磷酸可待因方面表现出很好的电催化响应，线性范围为20 nmol/L～200 μmol/L，检出限为5.8 nmol/L。

2022 年，Mousaabadi 等[36]制备了一种铜-血红素金属有机骨架和MWCNTs 的复合物，并基于该复合物构建了同时检测吗啡和可待因的电化学传感器（如图4 所示）。该传感器能够检测0.09～30 μmol/L范围内的吗啡和可待因，检出限分别为9.2 nmol/L和11.2 nmol/L。

图4 基于铜-血红素金属有机骨架和MWCNTs 复合物构建的同时检测吗啡和可待因的电化学传感器[36]

2022 年，Allahnouri 等[37]用Au-Cu 合金改性多孔硅对SPCE 进行修饰以构建可待因检测电化学传感器。该传感器能够检测0.06～0.6 μmol/L 范围内的可待因，检出限为0.35 μmol/L。

可待因检测电化学传感器的研究重点与美沙酮、丁丙诺啡和羟考酮检测电化学传感器相同，也是工作电极材料的开发。不同的是可待因检测电化学传感器在改进电极方面还引入了一些生物分子，如腺嘌呤官能团、血红素等，这可以使得传感器更容易接触生物样本，从而提升传感器在实际应用中的分析性能。因此，从实际应用方面考虑，未来研究人员可能在新型生物材料修饰电极方面加大研究力度，来提高传感器的分析性能。

5 曲马多检测电化学传感器

曲马多是一种弱阿片类镇痛药，用于缓解轻度至重度疼痛。然而，曲马多过量的副作用很多，包括呕吐、抑郁、心动过速等[38]。因此研制曲马多检测电化学传感器十分必要。

2007 年，于秋泓[39]通过不同溶液（包括碘、碘化钾等）与曲马多生成的电活性物作为目标检测物制备了盐酸曲马多聚氯乙烯膜离子选择电极，构建了多个盐酸曲马多电化学传感器。基于碘、碘化钾与曲马多生成的电活性物制得的聚氯乙烯膜离子选择电极构建的传感器性能优异，检测灵敏度高，检出限为6.0 μmol/L。鉴于该传感器制作简便和响应迅速等优点，除可用于一般药物分析外，有望与高效液相色谱或毛细管电泳仪等仪器结合开发性能优异的检测器。

2020 年，Diouf 等[40]构建了一种基于分子印迹导电聚合物的电化学传感器，用于曲马多的定量无创检测（构建过程如图5 所示）。该研究采用伏安型电子舌结合化学计量学方法进行定性分析，表现出与曲马多浓度（0.01～100 μg/mL）成比例的响应，检出限为9.42 μg/mL。将该传感器用于加标唾液和尿液样本的检测，回收率高于90%，标准偏差低于4.5%。此外，使用伏安型电子舌和模式识别方法对尿液样本的分析显示出良好的辨别力，得分率均超过95%。这种基于分子印迹导电聚合物的电化学传感器也可以用于检测生物基质中的曲马多。

图5 基于分子印迹导电聚合物的曲马多检测电化学传感器构建过程[40]

2020 年，Tavana 等[41]采用简单的化学沉淀法合成了在SWCNTs 表面修饰的Pt-Pd 掺杂NiO 纳米颗粒，构建了一种高灵敏度的纳布啡和曲马多同时检测的电化学传感器。该传感器检测药物样品中的纳布啡和曲马多的检出限分别为0.9 nmol/L 和50.0 nmol/L，表明该传感器应用于真实样品时具有良好的分析能力。

2023 年，Razieh 等[42]制备了用于电催化剂的CuO纳米结构。以CuO 纳米材料和MWCNTs 复合材料为工作电极，采用伏安法构建了曲马多检测电化学传感器。制备的纳米复合物对曲马多的检测具有良好的选择性，峰电位在230～700 mV。该传感器检测曲马多的线性范围为0.08～500.0 μmol/L，相关系数为0.999 7，检出限为0.025 μmol/L，灵敏度为0.077 3 μA/（μmol·L-1）。另外，该传感器可以有效检测实际样品中的曲马多，回收率为96%～104.3%。

曲马多检测电化学传感器的特点是采用多个先进技术相结合构建，例如与高效液相色谱或毛细管电泳仪或伏安型电子舌等相结合，可以提升检测性能，且更容易微型化，从而实现更方便、快速的检测。因此，便捷、快检的微型化电化学传感器也是未来发展的一大方向。

6 结语和展望

近年来，基于纳米技术的发展和纳米材料的广泛应用，阿片类镇痛药检测电化学传感器快速发展，在灵敏度、选择性、稳定性、实用性等方面不断提高，但是还存在以下不足：

（1）复杂样品难以准确测量。从目前研究进展来看，绝大多数修饰电极只能在μmol/L 级或以上级别浓度进行准确的定量分析，检出限最多只能低至nmol/L 级，极少数能达到pmol/L 级。对于药物浓度极低的人体血浆、血清、脑脊髓液、尿液、粪便等成分复杂的真实样品，如不进行前处理，实际上电化学传感器很难获得准确、稳定的检测结果。

（2）生物相容性不足。已有的关于修饰电极的研究大部分集中在化学纳米材料方面，这会造成在生物实际样品检测中相容性不足，甚至在生物体上难以直接测量。

（3）功能不够强大。大部分电化学传感器还局限于在单纯的电化学分析上的应用，电化学传感器的构造简单、优势单一，同时存在受检测环境影响而使传感器检测结果不够稳定等缺陷。

随着科技的进一步发展，阿片类镇痛药检测电化学传感器应向以下方向发展：

（1）开发新型电极材料以提高传感器的检测性能。通过改变电极材料的组成或结构，增强电极表面的综合性能，从而实现多组分环境下药物的超痕量分析，大幅提高实用性。

（2）制备新型生物材料修饰电极来研究阿片类镇痛药物的药理作用。如在基体电极上构筑一层或多层生物材料膜，使修饰电极与药物分子在特定条件下接触一段时间模拟药物治疗，通过观测电化学信号的变化，来进一步理解人体与药物之间的相互作用。

（3）多个先进技术相结合构建微型电化学传感器。如果能将传感器微型化，并有机结合其他技术手段如色谱、光谱、微萃取、电泳、流动注射等，将分离、富集、识别、检测等功能集成到类似芯片的微型传感器上，发挥协同效应，将实现复杂组分的快速分析，从而大幅度提高实际应用的潜力。