利用榕树皮提取物绿色合成银修饰ZrO2纳米杂化材料用于酶-free电化学传感检测多巴胺的敏感与可靠策略

《Hybrid Advances》：Phyto Engineered Ag Decorated ZrO2 Nanohybrid: A Sustainable Strategy for Sensitive and Reliable Electrochemical Sensing of Dopamine

　　

多巴胺（DA）的检测具有重要意义，因为其在神经功能中发挥关键作用，并与多种生理和神经性疾病相关。尽管已开发多种分析方法来测定DA，但无酶电化学传感器因其快速响应、操作简便、可靠性高和灵敏度高而受到越来越多的关注。本研究采用榕树（Ficus religiosa）树皮提取物的生态友好绿色方法合成了ZrO₂和银修饰ZrO₂（Zr@Ag）纳米结构，并将其用作多巴胺传感的电极修饰材料。利用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）及补充表征技术研究了合成材料的结构、形貌、光学和表面性质。Zr@Ag纳米复合物表现出2.3 eV的光学带隙、?113 mV的Zeta电位和约80.1 nm的粒径，表明其具有有利于电化学传感的表面和物理化学特性。将Zr@Ag纳米复合物集成到丝网印刷金电极（SPGE）上，构建了无酶Zr@Ag/SPGE传感平台。与ZrO₂/SPGE相比，Zr@Ag/SPGE表现出显著增强的电化学性能，灵敏度分别为80.97和1735.63 μA mM^-1 cm^-2，检测限分别为0.005 μM（5 nM）和0.003 μM（3 nM）（S/N = 3）。Zr@Ag/SPGE传感性能的提升可归因于ZrO₂与Ag之间的协同相互作用，促进了高效电子转移并增强了电极的电化学活性表面特性。此外，利用山羊血清（GS）、绵羊血清（SS）和胎牛血清（FBS）评估了所开发传感器的实际适用性，获得了98–101%的令人满意的多巴胺回收率。在这些生物基质中获得的一致多巴胺响应进一步证明了该传感器用于实际样品分析的可靠性。总体而言，绿色合成的Zr@Ag/SPGE为多巴胺检测提供了一种灵敏、选择性好、无酶且经济有效的平台，在生物和临床分析中具有广阔的实际应用潜力。

**研究背景与问题**

多巴胺（DA）是人体神经系统中调节认知、运动控制、内分泌信号传导和情绪行为等多种生理功能的关键神经递质，主要在中脑黑质致密部、腹侧被盖区和下丘脑的多巴胺能神经元中合成。DA也存在于血浆、脑脊液、尿液和汗液等生物体液中，是神经学研究的重要生化标志物。DA水平异常与精神分裂症、帕金森病和阿尔茨海默病等多种神经系统疾病相关。据估计，全球超过34亿人（约43%的全球人口）受神经递质功能障碍影响。因此，可靠、快速地定量检测生物和药物样品中的DA对临床诊断和神经学研究具有重要意义。然而，生物样品中DA检测面临诸多挑战：生理浓度低、易快速氧化、共存干扰生物分子（如尿酸UC和抗坏血酸AA）等。常规方法包括高效液相色谱（HPLC）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）、胶束电动毛细管色谱、毛细管电泳、酶基测定和分光光度法等，虽能提供可靠的分析性能，但常受限于昂贵的精密仪器、专业技术要求和繁琐的样品预处理，难以满足快速、常规和现场检测的需求。电化学传感具有低成本、快速响应、便携和实时分析等优势，其中丝网印刷电极（SPE）因设计紧凑、制造成本低、便携、易操作和适合批量生产而备受关注。然而，裸电极存在表面污染、干扰物种氧化电位重叠导致选择性不足以及电活性表面积有限等问题。纳米材料和纳米复合物因具有大电活性表面积、高效电子转移特性和增强电化学信号的能力，被广泛用作电极修饰材料。ZrO₂因其优异的热、机械和化学稳定性、生物相容性、无毒性、催化特性和电化学性能而成为有吸引力的选择。Ag因高电导率、表面反应性、较低成本和独特物理化学特性而受到关注。ZrO₂-Ag纳米复合物可提供两种组分有利性能的协同效应。尽管绿色合成的ZrO₂基纳米复合物在传感领域应用日益增多，但榕树介导的Ag修饰ZrO₂用于DA电化学检测的研究有限。本研究采用榕树茎皮提取物作为天然还原和稳定剂制备ZrO₂和Zr@Ag纳米复合物，修饰到SPGE上进行DA检测，据研究人员所知，这是首次报道榕树皮提取物介导的Zr@Ag纳米复合物专门用于电化学DA传感。

**关键技术方法**

研究人员采用榕树茎皮提取物绿色合成ZrO₂和Zr@Ag纳米复合材料，通过XRD、FTIR、UV-Vis、FESEM-EDX、TEM、Zeta电位和粒径分析等手段进行表征。将纳米材料与PVDF粘结剂分散于NMP中制备浆料，滴涂到丝网印刷金电极（SPGE，Metrohm-DROPSENS，DRP-220BT）上构建工作电极。采用循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）在0.1 M PBS（pH 7）中评估电化学性能。实际样品分析使用山羊血清、绵羊血清和胎牛血清（Himedia Laboratories），经高氯酸沉淀蛋白后离心处理，采用标准加入法进行回收率测定。

**研究结果**

**ZrO₂和Zr@Ag纳米材料的表征**：通过XRD、FTIR、UV-Vis、FESEM、TEM、EDX、元素映射、粒径和Zeta电位分析对绿色合成的ZrO₂和Zr@Ag进行了系统表征。XRD证实形成了结晶良好的ZrO₂（JCPDS 00-003-0640），Ag修饰后保留了ZrO₂的特征衍射峰，同时出现面心立方金属Ag的特征峰（JCPDS 00-001-1167），表明Ag主要沉积在ZrO₂表面而非进入晶格。FTIR显示Ag修饰后峰位轻微位移和强度变化，表明Ag纳米颗粒与ZrO₂表面之间存在相互作用。UV-Vis显示ZrO₂在288 nm处有特征吸收峰，Zr@Ag在258和480 nm处显示两个吸收特征，Tauc图计算得ZrO₂带隙为3.323 eV，Zr@Ag带隙降至2.3 eV。FESEM显示ZrO₂为团聚片状和颗粒状聚集体，Zr@Ag形成致密颗粒形貌，细纳米颗粒均匀装饰在较大ZrO₂颗粒上，表面粗糙且多孔。EDX确认Zr@Ag复合物中Zr、O、Ag三元素组成，无杂质信号。TEM显示Ag纳米颗粒均匀锚定在ZrO₂基质上，SAED与XRD结果一致，元素映射证实Zr和O均匀分布，Ag以离散纳米域分散。粒径分析显示ZrO₂平均粒径约10.6 nm，Zr@Ag增至约80.1 nm。Zeta电位显示ZrO₂为?32.5 mV，Zr@Ag达?113.0 mV，表明增强的表面电荷密度和悬浮稳定性。

**电化学研究**：通过EIS和CV评估了电极材料的电化学性能。EIS Nyquist图显示Zr@Ag/SPGE与裸SPGE和ZrO₂/SPGE相比阻抗响应发生显著变化，证实电极表面成功修饰。CV结果显示裸SPGE无明显氧化还原特征，ZrO₂/SPGE电流响应为156.72 μA，Zr@Ag/SPGE达471.42 μA。扫描速率增加时峰电流逐渐增大，阳极和阴极峰电流与扫描速率平方根呈线性关系（R²=0.9841和0.9870）。在30 μM DA存在下，ZrO₂/SPGE阳极电流为152.13 μA，Zr@Ag/SPGE达555.17 μA，DA氧化峰位于0.05–0.56 V之间。

**多巴胺电化学催化活性**：在不同扫描速率（10–100 mV/s）下含30 μM DA的CV曲线显示，随扫描速率增加峰电流增大，峰电流与扫描速率平方根呈线性关系（R²=0.9929和0.969），表明电极表面反应为扩散控制过程。加入DA后出现明显的氧化峰，随DA浓度增加（5–80 μM）氧化峰电流逐渐增大。ECSA计算结果显示裸SPGE为0.03298 cm²，ZrO₂/SPGE为0.04948 cm²，Zr@Ag/SPGE为0.1859 cm²，Zr@Ag/SPGE的ECSA分别为裸SPGE的约5.64倍和ZrO₂/SPGE的约3.76倍。

**Zr@Ag的电化学多巴胺传感机制**：Zr@Ag/SPGE增强的DA电化学响应归因于其表面形貌和物理化学性质的协同贡献。粗糙多孔形貌提供丰富的可及电活性位点，促进DA和电解质向电极表面扩散。在pH 7下DA主要以质子化阳离子形式（DAH⁺）存在，Zr@Ag的高负Zeta电位（?113 mV）通过静电吸引促进DA在电极/电解质界面的富集和预浓缩，同时静电排斥带负电的干扰物有助于提高选择性。减小的光学带隙（2.3 eV）促进电子激发和电荷传输，Ag纳米颗粒提供高导电通路并作为电子受体中心。DA在正向扫描中氧化为多巴胺-o-醌（DAQ），释放的电子通过ZrO₂基质向导电Ag域高效传输；反向扫描中DAQ还原回DA。多孔形貌增强DA吸附、高负Zeta电位促进静电富集、减小带隙结合Ag-ZrO₂界面促进电荷传输，综合效应产生更高的氧化电流和改善的传感性能。

**Zr@Ag用于多巴胺检测的DPV分析**：DPV响应显示在0.5–100 μM DA浓度范围内，随浓度增加氧化峰电位基本不变，峰电流显著增强。ZrO₂/SPGE校准曲线回归方程为I=3.80E-6+1.275E-5（R²=0.9901），Zr@Ag/SPGE为I=3.264E-4x+6.369E-5（R²=0.99456）。Zr@Ag/SPGE灵敏度达1735.63 μA mM^-1 cm^-2，ZrO₂/SPGE为80.97 μA mM^-1 cm^-2，检测限分别为0.003 μM（3 nM）和0.005 μM（5 nM），线性范围0.5–100 μM。与已有文献报道的DA传感器比较，Zr@Ag/SPGE展现出更优的灵敏度和更低的检测限。

**干扰、重复性、重现性和稳定性**：在120 μM尿酸、120 μM抗坏血酸、100 μM葡萄糖、100 μM尿素、100 μM H₂O₂和30 μM DA共存条件下评估选择性，干扰物在DA检测电位处无明显波动，其他干扰物信号低于DA。12次连续测量的RSD为1.877%，表明优异的操作稳定性。6个独立制备电极的RSD为1.870%，表明电极制备均匀、偏差低。30天储存稳定性测试（每5天间隔）显示电流响应略有下降，RSD为3.92%，表明良好的耐久性。

**实际样品分析**：采用标准加入法在山羊血清、绵羊血清和胎牛血清样品中进行DA检测。DA回收率范围为98%–101%，RSD值低于3.22%。各浓度（5、10和50 μM）DA在三种血清样品中的DPV曲线峰形良好，峰电流随DA浓度增加而逐渐增大。DA特征响应出现在0.2–0.4 V电位窗口内，与标准溶液中Zr@Ag/SPGE的响应一致。血清基质中保持相似响应电位、可重现的峰形和电流逐渐增加，证实了Zr@Ag/SPGE在复杂生物基质中检测DA的适用性。

**讨论与结论**

本研究采用榕树皮提取物作为还原和稳定剂，通过生态友好的绿色合成路线成功制备了ZrO₂和Ag修饰ZrO₂（Zr@Ag）纳米材料。提取物中的多酚、黄酮和有机酸等植物化学成分在合成过程中发挥双重作用：含羟基（-OH）和羰基（C=O）官能团的酚类和黄酮类化合物促进电子转移，推动金属离子还原为纳米颗粒；同时这些生物分子有助于稳定合成的纳米颗粒，防止过度聚集并增强结构稳定性。通过XRD、FTIR、UV-Vis、FESEM、TEM、EDX、元素映射和Zeta电位分析系统研究了合成纳米材料的结构、光学、形貌和表面特征，证实了ZrO₂的成功形成和Ag纳米颗粒在ZrO₂表面的有效装饰。将合成材料用作丝网印刷金电极（SPGE）的电极修饰材料，用于无酶电化学DA传感。ZrO₂/SPGE和Zr@Ag/SPGE电极的灵敏度分别为80.97和1735.63 μA mM^-1 cm^-2，检测限分别为0.005（5 nM）和0.003 μM（3 nM）（S/N = 3），动态范围为0.5–100 μM。Zr@Ag/SPGE的优越传感性能归因于ZrO₂与Ag之间的协同相互作用：ZrO₂基质提供DA相互作用的电化学活性表面，而掺入的Ag纳米颗粒增强导电性并促进高效电子转移。这种协同ZrO₂-Ag界面结合增加的可及表面积，有助于增强对DA的电化学响应。重要的是，无酶传感配置消除了对生物识别元件的需求，同时提供灵敏和直接的DA电化学响应。该传感器在山羊、绵羊和胎牛血清样品中表现出令人满意的回收率，浓度依赖性DPV响应在标准溶液中观察到的特征电位区域内显示一致的DA信号。标准溶液和生物基质之间的一致性以及令人满意的回收率结果证实了Zr@Ag/SPGE用于实际样品DA分析的可靠性和适用性。总体而言，绿色合成的Zr@Ag/SPGE为DA检测提供了一种简单、经济有效、灵敏且无酶的平台，在生物医学和临床分析中具有广阔的实际应用潜力。