多巴胺电化学修饰电极的研究与应用
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多巴胺电化学修饰电极的研究与应用
陈丹;何婧琳;李丹;肖忠良;冯泽猛;印遇龙;曹忠
【摘 要】多巴胺(DA)是一种重要的神经递质,它广泛地分布在哺乳动物的大脑组织以及体液中.体液中DA含量的异常与帕金森症、精神分裂症等疾病有关,因此建立一种简单、快速、准确的多巴胺检测方法是十分必要的.该文总结了近些年来检测多巴胺方面的各类方法报道和技术研究进展,重点评述了电化学修饰电极在多巴胺检测方面的研究与应用.
【期刊名称】《化学传感器》
【年(卷),期】2016(036)001
【总页数】8页(P2-9)
【关键词】多巴胺;分析方法;电化学修饰电极;复合膜;评述
【作 者】陈丹;何婧琳;李丹;肖忠良;冯泽猛;印遇龙;曹忠
【作者单位】长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙410114;长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙410114;长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙410114;长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙410114;中国科学院亚热带农业生态研究所,湖南长沙410125;中国科学院亚热带农业生态研究所,湖南长沙410125;长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙410114
【正文语种】中 文
多巴胺(DA)属于儿茶酚胺类物质,是哺乳动物和人类中枢神经系统中一种非常重要的信息传递物质[1],它在肾脏、荷尔蒙的调节以及心血管系统、神经系统中起着十分重要的作用[2]。体液中DA含量的异常与多种疾病有关,如帕金森症、精神分裂症、癫痫病等。其中,Rooke等对多巴胺注射液治疗动物的帕金森症进行了研究,发现多巴胺对帕金森症有一定的影响[3];Caravaggioa等通过
[11C]-(+)-PHNO正电子成像技术发现多巴胺在治疗精神分裂症方面有很明显的作用[4];Rocha等发现癫痫病人大脑皮层中多巴胺的含量出现明显的异常[5];Moraga-Amaro等发现多巴胺含量的高低会使人的情绪出现抑郁或焦躁[6]。因此,通过建立一种快速、准确的方法测定体液中DA的含量,在临床诊断和药物控制方面有其重要意义。
该文介绍了近些年来对人体体液中多巴胺检测的常规分析方法,主要包括分光光度法、毛细管电泳法、液相色谱法、化学发光法等,综述了基于碳材料复合膜、金属纳米材料复合膜、有机导电聚合膜的修饰电极在电化学传感器检测多巴胺方面的研究与应用。
1.1 分光光度法
分光光度法检测多巴胺主要是利用其与显色剂反应或者反应产物产生光的吸收变化来确定体系中多巴胺的含量。Sorouraddin等利用铋酸钠作为显色试剂,将儿茶酚胺类物质氧化成其相应的衍生物,这些衍生物在486 nm处对光有较强的吸收,此方法已被成功用于实际样品中儿茶酚胺类物质的检测[7]。Abbaspour等将多巴胺注射到细胞里,调节细胞液的pH值为碱性,利用细胞液里的溶解氧将多巴胺氧化为邻醌,通过辨别邻醌对光的吸收强度来确定多巴胺的浓度,同时发现尿酸、抗坏血酸、葡萄糖、乳糖对多巴胺的检测基本无影响[8]。Taghdiri等利用溴甲酚绿吸附在交联葡萄糖上,形成的产物在625 nm处对光有较强吸收。当多巴胺溶液加入后,它能与溴甲酚绿形成离子对,减少了溴甲酚绿与交联葡萄糖的作用,从而达到检测多巴胺的目的[9]。Ahmed等直接采用微分分光光度法来同时检测血清和尿液中的多巴胺和抗坏血酸,该方法避免了有毒物质的使用以及复杂的检测过程[10]。
1.2 毛细管电泳及其联用法
毛细管电泳(CE)是近年发展起来的一种高效的分离分析技术,是经典电泳技术和现代微柱分离技术相结合的产物,已成功地和多种检测技术联用并应用于各分析领域[11]。Zhang等将多巴胺和去甲肾上腺素与异硫氰酸荧光素在黑暗中超声混合使其衍生化,再将其形成的衍生物经过毛细管电泳使其分离,通过激光诱导其衍生物发荧光以实现其检测,检测下限分别为 0.34×10-9mol/L和1.02×10-9mol/L[12]。Zhao等将CdTe量子点加入到毛细管电泳的流动相中,它能较好地催化鲁米诺与双氧水之间的化学发光反应,当多巴胺通过毛细管电泳之后,发现化学发光反应的降低强度与多巴胺的浓度在8.0×10-8~5.0×10-6mol/L范围内呈很好的线性关系[13]。Wang等通过电沉积的方法将Pd纳米颗粒修饰到碳纤维微型电极的表面,再结合毛细管电泳测定老鼠嗜铬瘤细胞中的多巴胺。与传统的碳纤维微型电极相比,Pd的加入提高了电极的比表面积,改善了其对多巴胺的催化活性。Pd纳米修饰电极与毛细管电泳的结合排除了其它共存物质的干扰,很好地实现了细胞液中多巴胺的检测,检测下限达到0.1×10-6mol/L[14]。Fang等利用毛细管电泳放大富集技术将老鼠大脑组织切片中的多种物质富集起来,再通过快速循环伏安法检测组织中的多巴胺、血清素以及腺苷酸,首次实现了在实际组织样品中同时检测生物氨和腺苷酸[15]。 1.3 液相色谱及其联用法
高效液相色谱法(HPLC)也是常用的实际样品中检测多巴胺的方法。高效液相色谱法一般与质谱法、电化学检测等检测方法相结合,经高效液相色谱分离后,再利用这些方法对多巴胺等物质进行检测[16]。Syslova等通过冷冻干燥法将老鼠大脑透析液中的多巴胺以及代谢产物进行富集,然后采用液相色谱-电喷射离子质谱法对这些物质进行分离分析检测,该方法具有很好的选择性、灵敏性以及准确性,其检测的准确度基本都达到85%以上[17]。Kim等将老鼠大脑液与乙氰混合使得样品中的蛋白质沉淀,除去大脑液中的蛋白质等杂质。采用含有10 mmol/L甲酸胺的乙氰/水作为流动相,极性咪唑为固定相,流速为300 μL/min,对其上清液进行分离,再利用电喷雾串联质谱对分离出的多巴胺进行检测,其检测范围为10~5000 ng/g[18]。Ferry等采用2 μm固体颗粒填充的毛细管柱作为分离柱,以含有6 mmol/L辛基磺酸、0.1 mmol/L乙二胺四乙酸的140 mmol/L磷酸缓冲液为流动相对多巴胺等单胺类神经递质进行分离,采用电化学方法对其进行检测,整个分离检测时间不超过20 min,较好地实现了单胺类神经递质的分离检测,排除了它们之间的相互干扰[19]。
1.4 化学发光及其联用法
化学发光(CL)是一种由化学反应引起的光辐射现象,它是基于分子发光强度和被测物含量之间的关系而建立的分析方法。因其具有灵敏度高、仪器简单、快速等特点而越来越受到人们的重视,在分析工作中得到广泛的应用[20]。Guo等合成了能电致化学发光的碳纳米管/Nafion-Ru (bpy)2+3复合膜,基于多巴胺能够很好地抑制该复合膜系统化学发光反应的原理,结合循环伏安法实现对多巴胺的检测。同时由于碳纳米管优越的性质以及Nafion具有较好的阳离子选择性,排除了尿酸、抗坏血酸等物质的干扰[21]。Wabaidur等基于酸性条件下高锰酸钾
(KMnO4)氧化甲醛(HCHO)且不产生化学发光的反应,而多巴胺在这一反应中能较好的实现化学发光的增强效应,利用流动注射-化学发光法对多巴胺进行检测。该化学反应的发光强度随着多巴胺浓度在3.1×10-8~1.7×10-5mol/L范围内的增加而增强,并且葡萄糖、抗坏血酸、果糖、草酸、甲醇等物质在一定浓度范围内不干扰多巴胺的检测[22]。Huang等首次仿生合成了一种能电致发光的肽纳囊泡,该囊泡在K2S2O8作为共反应剂的条件下,能产生稳定有效的化学光,而多巴胺能显著增强该囊泡的化学发光强度。利用该原理将囊泡修饰到玻碳电极表面,可用于实际样品中多巴胺的检测,其检测下限为3.15 pmol/L[23]。Zhu等利用金属-有机物网状物(HKUST-1)在碱性环境中能很好地催化鲁米诺与双氧水之间的化学发光反应,而基于多巴胺能抑制该体系化学发光强度的原理,实现人体血清和尿液中多巴胺的检测;并且发现与传统的鲁米诺-双氧水反应相比,金属-有机物网状物(HKUST-1)使得发光强度增加了90倍[24]。
1.5 其它分析方法
检测多巴胺的方法除了以上介绍的以外,还有气相色谱及其联用法、荧光法、分子印迹法等。Naccarato等采用丙烷基氯甲酸酯作为衍生剂,将多巴胺、血清素、去甲肾上腺素衍生化,再通过固液微萃取-气相色谱-质谱分析法实现人体尿液中这些物质的同时检测,发现该方法具有较好的选择性和灵敏性[25]。Zhao等利用石墨烯量子点本身有较强的荧光,当与多巴胺混合后,石墨烯量子点将部分电子转移给多巴胺,从而使得石墨烯本身的荧光发生淬灭,且荧光强度淬灭程度与多巴胺浓度在一定范围内成正比,其检测下限为9.0×10-8mol/L,该方法已用于实际样品中多巴胺的检测,获得了比较好的效果[26]。Li等通过脱合金金属腐蚀法,得到介孔的金-银双金属微米棒,这种微米棒不需要其它电极做载体,可直接在其表面电聚合上一层分子印迹膜,并成功用于血清样品中多巴胺的测定,有效防止了抗坏血酸和尿酸的干扰,其线性范围为2×10-13~2×10-8mol/L[27]。
由于多巴胺分子内含有2个酚羟基,容易被氧化成多巴胺邻醌,因此可采用电化学方法对其进行定量检测。然而,直接采用电化学修饰电极检测多巴胺存在一些问题:(1)多巴胺在裸电极上的过电位高,电极反应缓慢;(2)其本身或反应产物易在电极表面形成一层薄膜,从而污染电极,降低电极的使用寿命;(3)尿酸、抗坏血酸等与多巴胺共存于大脑和体液中,它们的氧化峰电位与多巴胺非常接近,会严重干扰多巴胺的测定[28-29]。目前,电化学分析法测定多巴胺主要是选择合适的敏感膜,发展不同的化学修饰电极,而其敏感膜的组成可以分为三大类,即碳材料复合膜、金属纳米复合膜、有机导电复合膜。
2.1 碳材料复合膜
由于碳材料具有成本低、催化性能好、良好的生物兼容性以及较快的电子传递速率等优点,已被广泛用于修饰电极对多巴胺的检测。用于修饰电极的碳材料主要包括两大类:石墨烯和纳米管,它们既可以直接做修饰剂,也可与纳米颗粒、导电有机物等形成复合物。
2.1.1 石墨烯复合膜
自从2004年英国曼彻斯特大学的Geim研究小组首次制备出稳定的石墨烯,引发了人们对石墨烯的研究[30],发现理想的石墨烯可以看作由sp2杂化碳原子形成的二维晶体材料,且石墨烯具有优异的电学性能、导热性能、超常的比表面积等[31]。目前已经合成出不同类型的石墨烯:氧化石墨烯、还原型氧化石墨烯、纳米孔石墨烯等,这些类型的石墨烯被广泛用于电化学修饰电极[32-33]。Ghoreishi等采用氧化石墨纳米片烯直接修饰碳糊电极表面,并在酪氨酸存在的条件下检测多巴胺,发现该修饰电极检测多巴胺时电极的扩散系数为9.2×10-8cm2/s,电子的传递系数为0.6;与裸电极相比,对多巴胺表现出较好的电催化氧化性能以及较快的电子传递速率,同时也有更高的选择性、灵敏性、稳定性[34]。Pruneanu等利用石墨烯包裹Au-Ag双金属纳米颗粒以及Au纳米,形成两种电催化活性良好的复合膜,两种复合膜都对多巴胺有很好的电催化性能,但