氧化铈辅助的电化学传感器用于血清素和褪黑素的检测：一项伏安法研究

《Journal of the Indian Chemical Society》：CeO 2-assisted electrochemical sensor for the Detection of Serotonin and Melatonin: A Voltammetric Study

　　

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  采用共沉淀法制备氧化铈纳米颗粒。
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  使用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDAX）进行表征。
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  CeO₂/MCPE表现出良好的灵敏度、特异性和电化学性能。
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  研究了5-羟色胺（Ser）和褪黑素（Mel）的同步检测。

引言

现代生物传感领域的各项方法源于纳米科学与纳米技术的最新进展及其在分析化学中的应用。凭借其独特的性质——相比块体材料具有更优异的性能——纳米颗粒（NPs）越来越受到关注。金属氧化物纳米颗粒在生物必需元素和物质的检测中应用广泛，原因在于其增殖的催化、抗氧化和生理特性，尤其是其出色的电子和光学性质、化学耐受性、增强输入信号、长效稳定性、更优的界面传感互作特性，以及目标物种与电极之间的直接电子转移[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。氧化铈纳米材料在纳米尺度上具有诸多优势，如比表面积大、氧化还原响应、催化能力和无毒性，使其成为构建各类传感平台的极具前景的材料，包括生物传感器、气体检测、超级电容器、高效吸附以及快速电子传输的电化学传感器[8], [9], [10], [11], [12]。

儿茶酚胺类神经化学递质5-羟色胺（Ser）和褪黑素（Mel）在将神经信号从大脑传递至身体其他部位及反向传递过程中不可或缺[13]。Ser在生命活动的诸多方面履行着重要职能，如影响学习、记忆、食欲、情绪以及对体温的调控。Ser水平过低或过高均可能引发多种身体和神经健康问题，其中Ser不足据推测与抑郁和恐惧症相关。Ser水平过高则会导致Ser中毒、焦躁和意识混乱[14], [15], [16], [17], [18]。

人体通过Ser合成褪黑素（Mel），其化学名称为N-乙酰-5-甲氧基色胺。褪黑素主要在夜间通过血液循环分布于血液和脑脊液中，遍布多个身体器官，主要来源于松果体腺的实质细胞[19]。褪黑素作为广泛使用的非成瘾性促眠药物[20]，其最为重要的功能是调节昼夜节律，即纠正生物钟紊乱[21]，并在促进睡眠、控制时差反应、抗衰老、增强免疫力和抑制肿瘤等多种生理和行为功能中发挥重要作用[22], [23]。然而，当昼夜节律因时差、夜班等因素受到干扰时，褪黑素水平会出现异常，并容易引发情绪不稳定、认知障碍等问题。

Ser和Mel共享与严重抑郁疾病相关的代谢途径。因此，由于二者的同步及相互关联的功能，需要对复杂体液中的Ser和Mel进行快速精确的定量分析。总之，本研究成功开发了一种电化学传感器，用于同步检测与昼夜节律相关的标志物，如Ser和Mel。本文所述的检测方法具有成本低廉、快速便捷、可携带且易于操作等优点。

章节摘要

试剂与化学药品

本研究中使用的所有试剂均为研究级材料，并严格按照规定使用。石墨粉和高黏度硅油购自Fluka和Merck（≥98%，班加罗尔）。Himedia Laboratories（班加罗尔）提供了Ser（≥99%）、Mel（≥99%）、KCl、K₄[Fe(CN)₆]、Na₂HPO₄及NaH₂PO₄（纯度均≥98%）。六水合硝酸铈（≥99.0%，Ce(NO₃)₃·6H₂O）和氢氧化钠（≥98.0%，NaOH）购自Sigma Aldrich（班加罗尔）。所有水溶液均使用去离子水配制。

制备的CeO₂/MCPE表面特征

CeO₂/NPs的XRD图谱如图2A所示。其参考图谱和特征衍射峰与JCPDS标准卡片No. 81-0792高度吻合。图谱的尖锐峰以及无杂质峰的存在表明纳米颗粒具有良好的纯度和结晶性。利用德拜-谢乐公式（1）[24]，根据特征强峰计算出颗粒大小，平均粒径为15 nm。$$$$

其中λ为波长（nm），θ为衍射角。

结论

通过化学共沉淀法成功制备了CeO₂纳米颗粒，并利用XRD、SEM和EDX分析对其形貌及其他特性进行了评估。采用循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）对其电催化性能进行了考察。定制化的CeO₂/MCPE展现出增大的电极反应面积和增强的伏安响应。动力学研究表明，Ser和Mel均表现出扩散控制的电化学行为。

未来展望

基于CeO₂的电化学传感器的开发为复杂生物体系中神经递质的检测提供了广阔前景。未来研究应聚焦于通过表面功能化修饰、掺杂技术或引入复合纳米材料来提高传感器的选择性和灵敏度。传感器的小型化及其集成到便携式或可穿戴传感平台中，有望实现5-羟色胺和褪黑素的实时体内监测，这对于……至关重要。

作者贡献声明

B E KUMARA SWAMY：审稿与编辑、监督指导、方法学设计。Rukaya Banu：初稿撰写、方法学设计、调查研究、数据整理。S. B. Arpitha：审稿与编辑、资源提供、形式分析。

未引用参考文献

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Rukaya Banu | B.E. Kumara Swamy | S.B. Arpitha