用于检测神经递质的碳糊电化学传感器
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- 印度科拉姆阿姆里塔普里校区Amrita Vishwa Vidyapeetham Amrita文理学院化学系
本文就碳糊电极在神经递质电化学传感领域中的应用作一综述。生物分子特别是神经递质在不同疾病治疗中的重要意义极大地扩展了这些生物分子的分析检测范围。强烈建议从生物体液和药物剂量中检测它们，因为人体的正常功能与这些生物分子的确切浓度密切相关。因此，电分析技术可以用于这些分子的定量，因为这些技术具有响应时间快、易于处理、结果灵敏度高的优点。由于成本效益和模糊的电子转移动力学，许多基于碳糊电极的电化学传感器已被开发用于各种生物分子、环境污染物、食品添加剂和药物。本文综述了碳糊电极修饰电化学方法定量神经递质的不同材料。通过探索碳糊电极的各种分析效用，对神经化学物质进行电化学分析，可以启发未来对这些分子的研究。
简介
迄今为止，许多研究小组已经制造了许多电化学方法，用于生物学、食品和制药领域的分析应用。Cheraghi等，2017；钱德拉等人，2017年；Saifeldin 2020)．在这些领域已经发展了许多分析技术，包括色谱法、分光光度计等。Gupte和Luthra, 2017；Shi等，2020)，但电化学技术用于测量电活性分析物，成本低，灵敏度高。它有很多用途，因为它提供了一种简单的方法。电化学技术具有设备简单、响应时间快、灵敏度高、易于小型化等显著特点，使研究人员对这一领域进行了广泛的探索(Deepa等人，2016；大卫等人，2017年；Purushothama等人，2018)．本文综述了生物领域中考虑神经递质的碳糊电极(CPE)电化学传感器的最新进展。科学家们最近专注于探索基于检测神经递质的新方法的多种电化学方法。重点介绍了用于生物样本中神经递质分析研究的碳糊基电化学传感器的特性(Sasya等人，2020年；Santhy等人，2021年) (图1)．许多改进的CPE也被确定为改善神经化学物质在裸电极上的电化学检测。
图1．基于CPE的用于nt的电化学传感器领域的发表工作和引用的演变的图表。
从临床角度出发，从生物样本中测定多巴胺、血清素、肾上腺素、去甲肾上腺素、γ -氨基丁酸、谷氨酸、内啡肽、腺苷、三磷酸腺苷、乙酰胆碱等神经化学物质是非常必要的。这些分子在增强和平衡神经信号以及帮助大脑正常运作方面非常重要。因此，对这些分子进行适当的分析是必要的，复杂的分析设备也可以作为从现实样本中确定这些神经化学物质的工具。广泛使用的分析技术包括电导测量(Sartori et al.， 2011)、比色法(Idowu等人，2004年)、分光光度法(El-Ries等人，2000年；Gowda等人，2002年；萨勒姆,2002；Golcu 2008)、色谱(Rapado-Martínez等，1997；El-Saharty 2003)、荧光光谱学(Muñoz de la Peña等，1991；Pérez Ruiz等人，1998；Ramesh et al.， 2003；Tabrizi 2007)、电位测量法(哈桑等，2003年)和伏安法(El-Ries等人，2002年；Sartori et al.， 2010；Lourencao等，2014)用于检测神经递质。在这些分析技术中，伏安法是一种动态电分析技术，用于研究各种有机和无机分子氧化还原反应的电化学和机理(海因策,1984)．该仪器包括一个恒电位器，一个电化学电池，以及一个工作电极，一个对电极和一个参比电极的三电极系统。在工作电极和参考电极之间施加一个电位范围，并在计数器和工作电极之间测量由于分析物的电氧化或还原而获得的电流(Li et al.， 2012)．电化学传感器是使用工作电极作为传感元件的设备，传感元件由两部分组成，用于分析物的识别元件和传感器(Bakker和Telting-Diaz, 2002)．所述分子识别成分在所述分析物的氧化还原反应期间产生电化学响应，所述对应的信息通过换能器转化为合适的信号。随后，先进的电子设备探测到信号(Sehit和Altintas, 2020年)．
精确可靠的生物样品分析物定量检测技术的发展引起了人们的极大兴趣，特别是在早期诊断和临床研究方面。一种被称为生物传感器的新型修饰电极的发展得益于对生物识别组件及其功能的研究(萨勒姆,2002)．非酶生物传感器的特异性较低，但优于酶催化生物传感器(El-Saharty 2003)．另一方面，酶生物传感器有一些缺点，如保持低温，电解质pH值，清洁的环境变量，高成本，蛋白质固定在电极表面(Rapado-Martínez等，1997)．因此，非酶生物传感器比酶生物传感器引发了更多的研究。生物传感器是一种分析工具，可以扩展到包括神经递质，并且有各种各样的方法。根据一些研究，神经递质通常是同时产生的，因此一个生理样本很可能包含许多神经递质。神经递质的同时测量和识别在这些情况下是非常有用的，本文介绍了各种开发的生物传感器，可以同时监测大量的神经递质。在多种神经递质的同时诊断方面，各种多功能生物传感器已被引入。
伏安法是制造即时电化学传感装置的最合适方法，因为其对分析物的敏感检测具有较低的检出限和易于小型化(Sartori et al.， 2011)．此外，多种分析物检测是可能的，简单的样品制备，具有成本效益的方式通过伏安法优于上述其他方法(马修等人，2018年)．因此，本文对CPE用于生物和真实样品中各种神经化学物质的电化学测定进行了全面的研究。用于电化学分析的神经递质的电化学传感器大多是改进的裸cpe。未修饰的cpe具有低灵敏度和低检测限(lod)，这使得它们不适合常规分析，但另一方面，修饰电极具有增强的性能，如高选择性和分析物的电化学响应，与裸电极相比具有更高的电催化活性(Wring和Hart, 1992)．研究人员选择了许多技术，如电聚合、通过滴铸法在电极上涂覆纳米颗粒或纳米复合材料、自组装单层、电沉积技术和分子印迹等，用于制造各种电化学传感器(图2） (Madhusudhana等人，2020年；Mandler和Kraus-Ophir, 2011；Rao等人，2017；Vadivaambigai等人，2015；Vedhi等人，2009年；威兰德等人，2008年)．此外，广泛的纳米材料，如碳纳米管(CNTs)，石墨烯，金属纳米颗粒，金属氧化物纳米材料，MXenes等，迄今为止被用于开发众多电化学传感器(图3一） (Ramakrishnan等人，2015；Sehit和Altintas, 2020年；Szuplewska等人，2020年)．在这些碳基纳米材料中，碳纳米管和石墨烯具有一些惊人的性能，如电学和光学性能(朱等，2012；Martín等，2015)．此外，由于碳纳米材料本身的性质，更适合于电极的改性2碳的杂化和形成电荷转移配合物的能力(朱利安尼等人，2016)．以下部分提供了关于电化学研究不同神经递质的详细信息，这些研究来自具有几种修饰和裸cpe的真实样本。
图2．不同类型的方法用于CPE的修改。
图3．(一)不同类型的CPE修改(B)神经递质。
神经递质
生物分子是为生命提供基础的活细胞的基本构件。从医学和临床的角度来看，精确测量生物分子在生命系统中的浓度是非常重要的。电化学方法适用于生物分子的定性和定量检测，在临床诊断中具有较高的选择性和敏感性。神经递质(NTs)是人体系统中重要的化学物质，在身体和生理健康中发挥重要作用。在各种nt中，生物胺，包括多巴胺、血清素、肾上腺素、去甲肾上腺素，特别是氨基酸，如酪氨酸和乙酰胆碱，具有潜在的重要意义(图3 b)．NT介导神经系统的重要功能，如行为和认知功能。它们影响和调节肌肉紧张、心率、睡眠、学习、意识、记忆、食欲和情绪。神经化学物质的不规则水平与身体、精神和神经退行性疾病有关，如阿尔茨海默病、帕金森病、痴呆、成瘾、抑郁和精神分裂症(表1） (Sasya等人，2020年)．神经递质在神经系统中的浓度非常低，它们与各种其他生物化合物和矿物质结合，使其检测和量化具有挑战性。尽管文献中已经提出了几种策略，但大脑中的神经递质监测仍然是一个问题，也是当前研究的焦点。在评估传感器的性能时，需要考虑几个重要参数:传感器的灵敏度和检测极限(LOD)必须足以满足血清中目标神经递质的浓度。此外，传感器的选择性必须足够高，因为真实样本可能包含很多干扰。对于一项可靠的研究，可重复性也是必不可少的。在实际样品中，由于蛋白质粘附或吸附，电极可能发生污染(Sartori et al.， 2010)．污垢会对传感器响应产生重大影响，因此构建抗生物污垢的电极表面非常重要(海因策,1984)．必须同时检测多种神经递质，这是一个艰难的过程，因为许多神经递质具有相似的分子结构和物理化学性质，因此不可能将它们区分开来。由于现有方法的不足，大脑中神经化学物质的检测和监测仍然很困难，因此新的方法在这一领域继续受到极大的关注。为了监测nt的复杂相互通信，神经技术是非常可取的，因为它提供了高通量，快速和选择性地确定大脑中的目标分析物，而不会对移植区域产生不利影响(朱利安尼等人，2016)．因此，开发敏感可靠的临床评价方法，对这些分子进行观察和协调，并检测与之相关的疾病具有重要意义。这篇综述的重点是对当今电化学分析方法的总结，这些方法能够以高时间分辨率实时检测神经递质。
表1．神经递质及其在人体内的正常范围。
用于神经递质电化学分析的制备碳糊电极
通过采用不同的电化学策略，cpe已被用于不同神经递质的电化学测定。CPE电极由Nada等人开发，用于测量对乙酰氨基酚(ACOP)和神经递质，如多巴胺(DA)、肾上腺素(EP)、去甲肾上腺素(NP)、左旋多巴(L-DOPA)和血清素(5HT)。差分脉冲伏安法(DPV)和循环伏安法(CV)研究表明，分析物在电极表面发生氧化通过吸附控制可逆双电子步骤。通过将CPE-Au纳米与Nafion混合，可以灵敏有效地去除这些nt的重叠阳极峰。他们研究了其他生物分子主要是抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)对扑热息痛电流反应的干扰，即Nafion的破坏作用已被证明可以增加传感器电流信号对所研究化合物氧化的敏感性。所开发的测量人类尿液样本中药物的方法的适用性亦已证实(Nada等，2011)．该研究小组开发了一种有前景的电化学传感器，使用cpe与金纳米颗粒和Nafion作为连接剂。该方法对儿茶酚胺化合物:DA, EP, NP, LDOPA和5-HT在干扰分子如UA和AA存在时的测量是敏感的。DPV, CV和电化学阻抗谱用于检测所研究化合物在人体生理ph下的行为。同时测量DA与5-HT和L-DOPA与对乙酰氨基酚(ACOP)得到了非常好的峰分离。L-DOPA的线性响应范围为2.0 × 10−7至2.0 × 10−5摩尔L−1，相关系数为0.9990，第二范围为5.0 × 10−5到3.0 × 10−3摩尔−1得到相关系数为0.9985。lod为1.45 × 10−9摩尔L−1和2.84 × 10−6摩尔L−1,分别。该修饰电极的实用性已被证明可用于测量人类尿液中的左旋多巴(没有什么结果,2012；Atta等人，2020年)．
Wang等人报道，在cpe上掺入沸石显示优先吸收神经递质DA和EP，同时排斥阴离子抗坏血酸。沸石颗粒的离子交换特性显著提高了选择性，从而为这些神经化学物质的定量提供了一种敏感而简单的方法。使用循环伏安法、不连续安培法和流动注射伏安法实验证明了定量。影响多巴胺摄取的实验参数，包括溶液pH值和离子强度，沸石负载，是优化的参数。沸石修饰电极的吸引人的性质可能对大脑的电化学有用在活的有机体内（约瑟夫和阿兰，1996年)．Kumara Swamy等描述了丙烯酰胺改性CPE的制备和在0.2 M磷酸盐缓冲液(PBS)中在pH值7.4下电催化氧化成DA的过程。利用CV对DA浓度、扫描速率变异性和pH值等参数进行了研究。峰值电流与DA浓度成正比，检出限为3.5 × 10−7M.改性剂对cpe的浓度效应是改变电极界面可以增加电极表面带正电荷的多巴胺的数量。还研究了DA测量电极的稳定性和重复性(Sharath Shankar等，2010)．Umesh等人采用电化学方法在cpe表面电聚合聚(碳酸镁)薄膜。聚合物膜包覆电极在pH = 7时对DA的检测表现出优异的催化活性。研究了扫描速率对吸附驱动电极过程的影响，并考察了DA的浓度效应。DA的氧化还原峰电位受pH值的影响，涂覆该聚合物薄膜的电极在高浓度AA和UA存在的情况下，同时检测DA表现良好。将该方法应用于注射样品中DA的检测(Umesh等人，2010)．
Mohammad等人开发了一种ZrO2纳米颗粒修饰的CPE，通过电化学技术研究NE、AC、叶酸(FA)及其混合物的电化学氧化。DPV用于研究修饰电极上NE、AC和FA的选择性和同时测量。观察到NE、AC和FA的峰值电流随浓度线性增加。NE、AC、FA的检出限为8.95 × 10−8， 9.12 × 10−7， 9,86 × 10−6M,分别。它展示了一种强大的能力，可以将NE、AC和FA的重叠伏安响应分解为三个明确的伏安峰(穆罕默德等人，2010年)．乙酰胆碱是一种神经递质，存在于内脏淋巴结、肌肉骨骼系统和中枢神经系统的各个部分的神经和肌肉交汇处。大脑中乙酰胆碱的减少与阿尔茨海默病有关。因此，它是本病的重要活性成分。Nidhi等人利用碳纳米点(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(CDsAPTES)修饰的cpe制备了一种使用乙酰胆碱酯酶和胆碱氧化酶的双酶生物传感器系统，并测量了乙酰胆碱的含量。采用戊二醛交联法将乙酰胆碱酯酶和胆碱氧化酶固定在改性cpe上。用酶促氧化法测定乙酰胆碱2O2到Ag/AgCl在0.4 V。该小组研究了温度、pH值和底物浓度对生物传感器乙酰胆碱反应的影响。此外，他们还研究了CD-APTES的最佳数量、生物传感器的线性工作范围以及干扰效应(Bodur等人，2021)．
Sharath等用伏安法在磷酸中测定了EP和5-HT的十四烷基三甲基溴化铵(TTABMCPE)。提出了在pH值为7.4的缓冲溶液(PBS)中同时研究和测量这些神经递质的方法。在50 mVs的扫描速率下观察到EP、5HT和AA的阳极峰−1分别为198 mV, 363 mV和17 mV。在TTABMCPE中，所有电活性分子的峰值电流均增加。结果表明，即使在高浓度AA存在的情况下，EP和5-HT也能同时测定，且灵敏度较高。干扰研究表明，在AA和5HT大量过量存在的情况下，改性电极对测量EP具有优异的选择性。EP-AA与EP-5-HT的氧化峰电位相差约为215 mV和165 mV。伏安分辨率足够大，可以分别测定AA, EP和5-HT。差分脉冲伏安技术检测电极的检出限为0.12 μM。将该方法应用于合成样品中EP的测定，结果令人满意(Sharath Shankar和Kumara Swamy, 2014)．Umesh等制备了聚孔雀石绿膜包覆的cpe，用于ph7磷酸盐缓冲液中DA的敏感和选择性测量。氧化还原峰完全增强，检出限为2.5 × 107M用循环伏安法。进一步的研究表明，随着ph值的增加，DA氧化速率呈负向变化。浓度和扫描速率的影响呈线性响应，整个电极过程受扩散控制。所制备的CPE是测量DA的合适而灵敏的电极。同时使用DPV和CV技术进行的研究显示DA和其他神经递质之间存在极好的潜在差异(Umesh等人，2013)．
Manjunatha等人报道了一种生物聚合物修饰的化学传感器，通过在CPE上电解聚合精氨酸来定量存在UA和AA的DA。该电极对DA氧化具有良好的电化学催化活性。CV研究表明，DA在聚精氨酸修饰碳纳米管糊电极表面的氧化是一个双电子准可逆过程，是一个决定扩散速率的过程，与裸碳纳米管糊电极相比具有更好的电流响应。结果表明，在优化条件下，其浓度范围为8 × 106-5 × 105M和6 × 105-2 × 104M，检测限为10 × 107M进行观察。该传感器也已被证明可以分解真实样品中的DA，并具有足够的回收率(拉里尔和曼朱纳塔，2018年)．
Galal等人评价了离子液体型碳糊复合材料(ILC)对L-dopa电极催化氧化的影响。与其他不同类型的离子液体相比，ILC得到了最佳的电化学反应。通过金纳米团簇与ILC纳米复合材料的有效结合，获得了较高的离子导电性和较大的比表面积。左旋多巴被认为是治疗帕金森病的主要处方药之一。此外，l -多巴和卡比多巴的双药治疗已被证明是有效的，有望避免l -多巴单药治疗帕金森病患者的缺点。建立的Au/CILCE在0.1 ~ 90 μM范围内可用于检测人血清中L-dopa，检测限和定量限分别为4.5 nM和15.0 nM。在卡比多巴存在的情况下，l -多巴可同时进行灵敏检测，检出限较低(Nada等，2020年)．钙钛矿材料如LaNiO3., LaFeO3.，和LaCoO3.被Jasmine等人用于修饰cpe以分析神经递质。这些材料显著增加了电极的电化学活性面积，降低了修饰电极的电荷转移电阻。此外，钙钛矿修饰电极可以提高热稳定性和表面特征，如相的形成和形貌。修改后的电极显示出高电流响应，使神经递质如DA, 5-HT, AP和酪氨酸(TYR)的纳米摩尔传感成为可能。修饰电极的所有电化学参数均与上述分析物的电化学反应相关。钙钛矿修饰的CPE (LNO MCPE)表现出宽线性范围，高灵敏度，优异的选择性和宽线性浓度范围是电极的优势，这使得同时检测和定量四种神经递质(Jasmine等，2021年)．Salimi等人在不添加电子转移介质或特定试剂的情况下，将碳粉与甲基三甲氧基硅烷等溶胶-凝胶前驱体混合，合成了溶胶-凝胶结合的碳复合电极(CCE)。该传感器已被证明可用于同时测量神经递质，如DA和肾上腺素，同时存在其他生物分子，如UA和AA。与其他常见的碳基电极，特别是掺硼金刚石、玻璃碳、石墨和CPE相比，所开发的CCE对多巴胺的可逆性显著提高。研究了AA、UA和儿茶酚胺在碳复合电极上的直接电化学氧化，UA、AA和儿茶酚胺的氧化峰分离良好，灵敏度高。该传感器的分析效用已被评估，该方法似乎对检测尿液和血清样本中的生物分子具有固有的稳定性和完整性(阿卜杜拉等人，2006年)．
器件的小型化使得从纳米或微体积的真实样品中快速、灵敏地检测分析物在生物医学和法医学领域具有很大的应用价值。Shui等人基于聚(二烯丙基二甲基铵)氯还原氧化石墨烯(PDDARGO)修饰的多壁碳纳米管碳糊电极(MWCNTCPE)制造了一种电化学传感器(MWCNTCPE/PDDARGO)，并将其集成到微流控装置中。详细的研究表明，PDDARGO和MWCNT杂化纳米材料对DA和5-羟色胺(5-HTA)的电极催化反应具有依赖性，能够实现灵敏的检测。该电极可灵敏、选择性地定量测定微升剂量大鼠血浆中的DA和5-HTA，可用于生物活性物质的监测在活的有机体内而且在体外．该装置显示出广泛的浓度范围，具有非常高的灵敏度，稳定性和卓越的再现性(振平等，2018)．Mazloum Ardakani等报道了一种含有双对苯二酚(DOH)的化学修饰CPE，用于DA的电极催化氧化。改性CPE的动力学参数，如氧化扩散系数和电子转移系数(α= 0.33)。在最佳条件下(pH-7.0)，制备电极表面的DA氧化发生在比裸CPE低约290 mV的正电位下。氧化峰电流随DA浓度的变化呈线性变化，在SWV为3.0 × 10范围内得到线性分析曲线5-2 × 103.米达。检测限为3.2 × 106M.该方法也用于使用标准添加法测定药物注射的DA (哈迪等人，2019年)．Kumara Swamy等人在磷酸中AA存在下制备了用于EP和5-HT的十四酰三甲基溴化铵(TTAB)固定化CPE。提出的方法应用于pH值为7.4的缓冲溶液(PBS)中神经化学物质的同时研究和测量。在50 mVs的扫描速率下观察到EP、5-HT和AA的阳极峰−1分别为198 mV, 363 mV和17 mV。在TTABMCPE中，所有电活性分子的峰值电流均增加。结果表明，即使在高浓度AA存在的情况下，EP和5HT也能同时测定，且灵敏度较高。干扰研究表明，在AA和5HT大量过量存在的情况下，改性电极对测量EP具有优异的选择性。EP-AA与EP-5HT的氧化峰电位相差约为215 mV和165 mV。伏安分辨率足够大，可以分别测定AA、EP和5HT。差分脉冲伏安技术对修饰电极的检出限为0.12 μM。将该方法应用于合成样品中EP的测定，结果令人满意[63]。表2代表了综述的大纲，其中强调了迄今为止文献中报道的CPE修饰的重要神经递质传感器。
表2．CPE修饰的神经递质传感器。
结论与展望
对碳糊电化学神经递质传感器进行了简单而全面的评估。由于临床领域对这些传感器的广泛需求，文献中已经报道了相当数量的电化学技术来量化来自真实样本的神经化学物质。开发一种非常简单的即时检测装置对于检测和量化生物样本中的这些分子是至关重要的。碳糊基电化学传感器由于其电极材料便宜、电子传递动力学优于其他碳基电极，在当前电化学研究中受到广泛关注。碳糊电极的修饰似乎消除了实际样品中的混杂效应。通过适当组合各种先进纳米材料，更加重视纳米材料的制备，可以进一步提高神经递质电化学传感器的实际应用和选择性。将金属有机骨架与纳米颗粒修饰电极相结合，可获得极低的检测限、较高的灵敏度和选择性。除了开发的创新方法，大多数其他传感器无法达到这一水平。即便如此，大多数纳米复合材料方法都使用了一些复杂的策略，例如结合两个或三个纳米结构，这使得这种方法难以商业化。本文从不同角度阐述了碳糊基材料在设计和构建各种具有电化学性能的电化学传感器以及在神经化学物质电化学检测方面的优势。 This review aims to accelerate current development in this area by taking the future development of neurotransmitter electrochemical sensors to a better level and exploring the benefits of carbon paste-based electrode materials.
作者的贡献
所有列出的作者都对该工作做出了实质性的、直接的和智力上的贡献，并批准了其出版。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。
致谢
作者感谢Amrita Vishwa Vidyapeetham, Amritapuri校区对我们开展研究工作的支持。
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关键词:碳糊电极(CPE)，神经递质，伏安法，纳米颗粒，传感器
引用:Rejithamol R和Beena S(2022)用于检测神经递质的碳糊电化学传感器。前面。Sens。3:901628。doi: 10.3389 / fsens.2022.901628
收到:2022年3月22日;接受:2022年4月25日;
发表:2022年5月10日。
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