基于咖啡酸的绿色合成方法制备了嵌入自模板双壳ZnMn2O4空心微球中的铼纳米颗粒，用于生物流体中超灵敏的肾上腺素检测

高效电化学传感器开发及其在肾上腺素检测中的应用

　　
肾上腺素（Epinephrine, EP）作为重要的神经递质和激素，其浓度监测在心血管疾病、代谢紊乱及急救医学中具有重要临床价值。近年来，电化学传感器因其操作简便、灵敏度高和可重复性好的特点，逐渐成为生物医学检测领域的研究热点。然而，传统检测方法如液相色谱（HPLC）或荧光光谱法存在样品前处理复杂、设备昂贵等局限性。为此，科研团队开发了一种基于铼（Re）纳米颗粒/双壳ZnMn?O?复合材料的电化学传感器，实现了对生物体液中EP的高效检测。

### 材料设计与合成策略
该研究提出采用“双壳结构”设计提升传感器性能。首先通过共沉淀法结合高温煅烧制备出ZnMn?O?中空微球，其双壳结构（外层致密层+内层中空层）不仅增加了比表面积，更通过形成微孔通道促进电解质离子扩散。随后，采用环境友好型化学还原法将Re纳米颗粒负载于ZnMn?O?表面，具体分三步实施：
1. **模板剂CTAB的解离**：十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）在水中解离为CTA?和Br?离子，CTA?与Pb（Re）的氧化态离子（ReO??）结合形成中间络合物。
2. **CA介导的还原反应**：咖啡酸（CA）作为天然还原剂，在酸性条件下被氧化为醌类化合物，同时将ReO??还原为金属Re。此过程通过CTAB的包裹作用控制Re纳米颗粒的尺寸和分布。
3. **负载与固定化**：将合成的Re纳米颗粒溶液与预处理好的ZnMn?O?微球均匀混合，通过静电吸附和毛细作用实现表面负载。

这种“绿色化学”合成路径避免了传统高温高压条件，且CA的来源可持续（植物提取物），符合绿色合成理念。

### 材料结构表征
通过扫描电子显微镜（FESEM）和透射电子显微镜（TEM）观察，发现ZnMn?O?微球呈现典型的双壳结构：外层致密壳层厚度约50-80 nm，内层中空结构直径达300-500 nm。X射线衍射（XRD）证实产物为标准立方相ZnMn?O?（空间群I41/amd），晶格参数与文献一致。高分辨透射电镜（HRTEM）显示Re纳米颗粒均匀分布在ZnMn?O?表面，平均尺寸为2-3 nm，且晶格条纹间距0.24 nm对应Re（100）晶面。

X射线光电子能谱（XPS）分析表明，Zn和Mn的氧化态分别为+2和+3，符合ZnMn?O?的化学计量比。Re的4f轨道特征峰证实其以 metallic Re形式存在，未发现氧化态副产物。元素映射（STEM-EELS）显示Re在ZnMn?O?表面呈均匀分布，与TEM图像吻合。

### 电化学性能优化
电化学阻抗谱（EIS）显示，Re@ZnMn?O?/GCE的电子转移阻抗（Rct）较ZnMn?O?/GCE降低38%，表明Re的引入显著提升了电荷传输效率。循环伏安法（CV）测试发现，该传感器在5 mM [Fe(CN)?]3?/??体系中扫描速度从0.01 V/s增至0.2 V/s时，氧化电流（Ip）线性增长，相关系数达0.997，符合扩散控制动力学特征。

对于EP检测，该传感器表现出突破性性能：
- **宽检测范围**：线性响应区间覆盖0.5-1951.3 μM，满足生理浓度（0-50 μM）到病理浓度（>1000 μM）的全段检测需求。
- **超低检测限**：通过差分脉冲伏安法（DPV）测得检测限为0.21 μM，较传统传感器（通常0.5-10 μM）性能提升3-5倍。
- **高灵敏度**：灵敏度达0.282 μA·cm?2·μM?1，在10-50 μM范围内R2值稳定在0.99以上。
- **抗干扰能力**：在含AA、DA、H?O?等常见干扰物的体系中，目标信号误差率<6.5%。

### 关键性能提升机制
1. **结构优势**：双壳结构不仅提供大比表面积（ZnMn?O?原始材料36.63 m2/g，负载后虽下降至16.22 m2/g但活性位点密度提升），更通过中空通道缩短电解质扩散路径，降低传质阻力。
2. **催化协同效应**：Re纳米颗粒作为强氧化剂，其表面富含活性位点（DFT计算显示暴露的Mn-O键能达4.8 eV），可加速EP的氧化还原反应。电化学石英晶体微天平（ECS-QCM）测试表明，Re负载使界面电荷转移速率常数（k?）提升2个数量级。
3. **pH自适应机制**：通过优化电极表面官能团分布，传感器在pH 5-9范围内仍能保持稳定响应，最佳检测pH为7.0（生理pH），此时EP的-OH和-NH??基团解离度最佳，增强与电极材料的静电相互作用。

### 实际应用验证
在人体血清和尿液样本测试中，传感器展现出优异的基质适应性：
- **血清检测**：在稀释10倍的人血清样本中，对10-50 μM EP的检测信号与标准品线性吻合（R2=0.993），加标回收率98-102%。
- **尿液检测**：经离心去杂后，直接检测稀释尿液样本，在25-50 μM浓度范围内信号强度稳定，与临床诊断设备（如雅培i2000）的检测值误差<5%。
- **长期稳定性**：电极在4℃保存12天后，电流响应衰减仅2%，25次循环测试后RSD<1.5%。

### 技术创新与局限性
该研究的创新点在于：
1. **材料复合策略**：首次将双壳结构金属氧化物与金属纳米颗粒结合，形成"壳-核-壳"协同效应（ZnMn?O?@Re@ZnMn?O?）。
2. **绿色合成体系**：全程采用水相反应，无有机溶剂，且咖啡酸作为还原剂可生物降解。
3. **宽pH适用性**：突破传统EP传感器在碱性环境中的灵敏度下降问题，pH适应范围扩展至5-9。

局限性包括：
- 中空结构导致材料堆积密度较低（约0.8 g/cm3），需进一步优化加工工艺。
- 对高浓度（>2000 μM）EP检测线性关系减弱，可能受电极表面空间位阻效应影响。
- 尚未建立与临床诊断标准（如放免法）的横向比较数据。

### 应用前景展望
该传感器在即时检测（POCT）领域具有广阔应用前景：
1. **急救场景**：可集成于便携式血糖仪等设备，10秒内完成EP浓度筛查，对过敏性休克（EP>1000 μM）和严重低血糖（EP<0.5 μM）提供快速诊断依据。
2. **慢性病管理**：结合柔性电路和生物相容性封装，可制成贴片式传感器持续监测EP波动，辅助肾上腺功能不全或嗜铬细胞瘤患者的远程监护。
3. **环境监测**：通过检测水体中药物残留（如β-阻滞剂），评估药物生态毒性。

### 总结
本研究通过结构设计创新（双壳中空微球）和功能材料复合（Re纳米颗粒），显著提升了EP检测性能。其实际应用价值体现在：① 开发pH适应范围更广的传感器；② 探索无线传输与微流控芯片集成；③ 建立与金标准的校准曲线。这些改进将推动该技术从实验室走向临床，为精准医疗提供新的工具。