基于Ru-CNQD/CNT/HCS纳米复合材料的电化学多巴胺传感技术在帕金森病诊断中的应用

《Talanta》：Electrochemical sensing of dopamine based on a Ru-CNQD/CNT/HCS nanocomposite for diagnosing Parkinson's disease

　　

张建学|齐明明|朱芳|肖学倩|董一婷|杨阳|陈沁华|王楠|张国军|陈少伟|周晓莉|倪伟|张玉琳

湖北中医药大学，湖北中医药大学附属医院，湖北石镇实验室，武汉，430061，中国

摘要

多巴胺（DA）是一种关键的神经递质，其失调与帕金森病密切相关；然而，由于其在血液中的浓度极低且受到严重基质干扰，因此可靠检测仍然具有挑战性。本文报道了一种基于混合纳米复合材料的电化学传感器，该复合材料由碳氮化物量子点支持的钌纳米粒子修饰的碳纳米管（Ru-CNQD/CNT）与空心碳球（HCS）组成，用于DA的检测。由于Ru-CNQD/CNT的高活性与HCS的良好富集能力的协同作用，所提出的传感器表现出优异的分析性能，具有从0.001到50.0 μM的宽线性响应范围和0.13 nM的低检测限。该电化学平台进一步应用于监测在高钾刺激下PC12细胞的DA释放，实现了神经递质分泌的动态电化学追踪。重要的是，对人类血清样本中DA的定量分析表明，该传感器能够有效区分帕金森病患者和健康个体。总体而言，这项工作建立了一种高效且超灵敏的电化学策略，用于复杂生物基质中的DA检测，在神经递质监测、DA相关疾病评估和基础神经化学研究中显示出巨大潜力。

引言

帕金森病（PD）是一种慢性进行性神经退行性疾病，其特征是持续的运动功能障碍和广泛的非运动症状，在老年人群中的发病率特别高[1]。由于其终身性和进行性，PD对公共卫生构成了严重威胁，并已成为全球性的医疗和社会经济挑战[2]。目前，早期识别后及时有效的干预被认为是提高PD患者生活质量的最实际策略之一[3]。病理学上，PD的特点是黑质致密部多巴胺能神经元的逐渐退化，导致纹状体中多巴胺（DA）水平显著下降[4]。因此，异常的DA代谢长期以来被认为是与PD进展相关的标志物，使DA成为PD相关研究的临床相关生化指标[5]（见图1）。

近年来，已经开发了多种DA测定分析技术，包括紫外-可见光谱法、高效液相色谱-串联质谱法（HPLC-MS）、荧光光谱法、表面增强拉曼光谱法（SERS）和基于场效应晶体管（FET）的传感器[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]。虽然这些方法在受控条件下通常具有高灵敏度和特异性，但它们的实际应用往往受到复杂仪器、劳动密集型程序或不适合快速和即时检测的限制。相比之下，电化学传感策略因其固有的优势（如操作简单、成本低、响应速度快和与微型设备的兼容性）而受到广泛关注，并已被广泛用于检测多种生物标志物[13,14]。然而，由于DA在血液中的生理浓度极低以及血清基质中存在复杂的干扰物质，其准确电化学检测仍然极具挑战性[15,16]。电极的表面功能化是提高电化学传感器灵敏度和选择性的最有效方法之一[17,18]。迄今为止，已经使用了多种功能材料作为电极修饰剂来检测DA[19]，其中包括金属、金属氧化物、导电聚合物和碳基纳米材料。其中，贵金属由于其独特的电子结构和优异的催化性能而被广泛研究[20]。钌（Ru）作为一种替代铂基催化剂的候选材料，因其相对较低的成本（大约是Pt的一半）和固有的高催化活性而受到关注[21]。此外，将贵金属缩小到超小纳米粒子（NPs）可以最大化活性位点的利用率，同时最小化贵金属的消耗[22]。然而，超小Ru NPs容易聚集，这不可避免地会损害其催化性能和长期稳定性[23]。因此，将贵金属NPs锚定在合适的支撑架上被认为是抑制聚集和提高耐用性的有效策略[24]。值得注意的是，设计良好的支架可以通过提供大的比表面积、坚固的机械支持和高效的电子传输路径来进一步提高电子传输速率[25,26]。

石墨碳氮化物（g-C₃N₄）是一种类似石墨烯的聚合物半导体，由sp²杂化的碳和氮原子组成，排列在π共轭框架中，作为一种功能性支撑材料引起了越来越多的兴趣[27]。g-C₃N₄中周期性排列的三嗪单元可以为稳定金属NPs提供丰富的配位位点，使其成为贵金属固定的有希望的基底[28]。此外，g-C₃N₄框架内的氮物种（如吡啶氮和石墨氮）已被广泛认为是各种电化学反应中的催化活性中心[29]。尽管具有这些优势，但块状g-C₃N₄通常具有相对较低的比表面积和较差的固有电导率，这限制了其在电化学传感中的直接应用。通过将g-C₃N₄缩小到零维量子点（CNQDs）[30]并将其与高导电性的碳纳米管（CNTs）[31]集成，可以有效缓解这些缺点。得益于CNQDs和CNTs之间的强π-π相互作用[32]，这种混合结构结合了CNQDs的缺陷丰富、短程有序结构与CNTs的长程导电网络，从而实现了对支撑Ru NPs的电子传输速率的协同调节和增强[33]。除了内在活性外，电化学DA传感器的分析性能还受到电极界面处DA局部浓度的影响[34]。空心碳球（HCSs）具有高表面积和多孔壳结构，对小芳香分子的吸附能力优异，因此被用于在电极表面富集目标分析物[35]。此外，它们的多孔结构有利于质量传输和电荷传输过程，这两者都有助于提高电化学传感性能[36]。

在这项工作中，首先通过三聚氰胺和柠檬酸钠的水热处理合成了CNQDs[37]，然后通过二次水热过程原位沉积Ru NPs。所得到的Ru-CNQD混合物随后与CNTs复合，形成Ru-CNQD/CNT纳米结构，进一步与HCSs集成，制备用于制造丝印碳电极（SPCE）基电化学传感器的多功能催化剂墨水。在这种分层结构中，CNQDs有效抑制了Ru NP的聚集并增加了可访问的表面积，Ru NPs作为主要的电子传输活性位点，CNTs提供了连续的电子传输网络，HCSs促进了电极界面处DA的富集。通过利用这些组分的协同效应，所提出的传感器在DA检测方面表现出显著增强的电化学性能。值得注意的是，该平台能够监测PC12细胞的DA释放以及人类血清样本中极低DA水平的测定，显示出其区分PD患者和健康个体的潜力。因此，这项研究为复杂生物流体中的DA分析提供了一种高效且灵敏的电化学策略，为神经递质研究和PD相关生物医学研究提供了广阔的前景。

章节片段

材料和试剂

多巴胺盐酸盐（DA，纯度≥98%）购自Sigma-Aldrich（美国）。Nafion溶液（5%，试剂级）购自Sigma-Aldrich。乙二醇（EG，分析级）和磷酸盐缓冲盐水（PBS，分析级）由上海医药集团有限公司提供。铁氰化钾（K₃[Fe(CN)₆）、亚铁氰化钾（K₄[Fe(CN)₆）、无水乙醇、氯化钾（KCl）、抗坏血酸（AA）和尿酸（UA）均购自上海医药化工有限公司

Ru-CNQD/CNT/HCS的结构表征

通过SEM和TEM研究了制备材料的形态和微观结构。如图1e所示，HCS颗粒呈现出均匀的球形形态，平均直径约为100-150 nm。虽然SEM并不总能直接观察到封闭的空腔，但图中用红色圆圈标出的几个部分破裂的球体显示出表明内部为空心的横截面。这种空心结构进一步通过TEM（图S1）和HAADF-STEM得到确认（

结论

本文报道了一种将Ru-CNQD/CNT/HCS纳米复合材料集成到SPCE上的电化学平台的发展，用于DA分析。得益于Ru-CNQD/CNT与HCS的协同集成，所得到的Ru-CNQD/CNT/HCS/SPCE提供了增强的电子传输速率和界面DA富集，从而实现了宽线性范围和极低的DA检测限。改进的传感性能可以归因于

CRediT作者贡献声明

张建学：正式分析、研究、方法学。齐明明：数据管理、正式分析、软件、写作——审阅与编辑。朱芳：资金获取、资源、软件。肖学倩：方法学、可视化、写作——初稿。董一婷：数据管理、正式分析。杨阳：研究、方法学。陈沁华：资金获取、资源、可视化。王楠：方法学、资源。张国军：监督、可视化。陈少伟：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

周晓莉感谢湖北省自然科学基金（编号：2024AFD303）的支持。倪伟感谢湖北省中医药管理局中医药研究项目（编号：ZY2025M048）和湖北省自然科学基金（编号：2026AFC0817）的支持。朱芳感谢湖北省自然科学基金（编号：2024AFD439）的支持。张玉琳感谢湖北省精密重点实验室开放研究基金的支持