钯和磷共掺杂的石墨碳氮化物实现多巴胺及抗精神病药物的三重电化学检测

《Talanta》：Triplex Electrochemical Sensing of Dopamine and Antipsychotic Drugs Enabled by Palladium and Phosphorus co-Doped Graphitic Carbon Nitride

　　

摘要

氯丙嗪和氯氮平是广泛使用的抗精神病药物，其治疗效果主要通过抑制多巴胺受体实现。在临床实践中，同时监测这些药物以及生物液体中的多巴胺对于避免不良反应至关重要。在本研究中，我们开发了一种基于钯和磷共掺杂的g-C₃N₄纳米片的电化学传感器，用于同步检测氯丙嗪、氯氮平及多巴胺。磷和钯的协同掺入有效改变了材料的电子结构，缩小了能隙并降低了电荷传输阻力，从而显著加快了分析物在氧化还原反应中的电子传输速度。该传感器对氯丙嗪和氯氮平的检测范围分别为0.02-100.00 μM，对多巴胺的检测范围为0.05-250.00 μM，检测限分别为5 nM、5 nM和10 nM。与单一分析物检测相比，这种同步检测方法具有相当或更高的准确性和重复性。此外，该传感器还具有很高的特异性，来自其他生物物质的干扰极小（小于5%），并且已成功应用于真实生物样本的分析。这种基于钯/磷共掺杂g-C₃N₄的电化学传感平台为个性化治疗药物监测以及临床环境下的实时药代动力学-药效学分析提供了有力的工具。

引言

精神障碍作为导致残疾的主要原因，是全球性的重大公共卫生问题，影响着数以亿计的人[1]。目前，氯丙嗪和氯氮平是临床上治疗精神分裂症及相关疾病最常用的药物[2]。多巴胺是中枢神经系统中的重要神经递质，与情绪调节、认知功能及运动控制密切相关。氯丙嗪和氯氮平的抗精神病作用主要是通过抑制多巴胺受体来实现的，这会显著改变体内多巴胺的水平[3]。此外，这两种药物的疗效窗口都很窄，分别为0.2–1 μM（40–300 ng/mL）和1–2 μM（300–700 ng/mL）[4]。过量使用或长期服用可能导致严重的不良反应，如锥体外系症状、粒细胞减少症及肝毒性[5]、[6]、[7]。因此，同时检测生物液体中的氯丙嗪、氯氮平及多巴胺非常重要。

目前用于检测氯丙嗪、氯氮平或多巴胺的传统分析方法包括气相色谱法、荧光光谱法以及液相色谱-质谱法。这些方法虽然准确度很高，但成本高昂、操作复杂且分析时间较长，不适合用于快速临床决策[8]、[9]。相比之下，电化学传感器因其低成本、响应速度快且灵敏度高的优点，成为一种极具前景的替代方案[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。在各种电极材料中，石墨碳氮化物因其可调控的电子结构及良好的化学稳定性，是一种极具吸引力的电活性材料[16]、[17]。然而，未经处理的g-C₃N₄在实际应用中存在电荷重组速度快、电子传输能力差的问题，从而影响了其电化学性能[18]。有研究指出，磷掺杂可以有效调控g-C₃N₄的电子共轭结构，并增加更多锚定位点[19]。而钯的修饰则可以提供高活性的位点，有助于提升电荷传输效率及分析物识别能力[20]。

因此，我们设计了通过磷掺杂和钯修饰得到的共改性g-C₃N₄材料（Pd/P-C₃N₄），以此开发出一种简单而有效的电化学传感器，用于同步检测氯丙嗪、氯氮平及多巴胺。与传统的单一分析物检测方法相比，这种同步检测策略不仅提高了分析效率，还减少了批次间的差异性，这对于实现可靠的药代动力学分析非常重要。此外，它还为开展整合药代动力学-药效学研究提供了可能，例如探究氯丙嗪和氯氮平与多巴胺受体拮抗作用之间的相互作用，这一领域目前仍缺乏深入研究。

在本研究中，我们首次制备出了经过钯/磷共掺杂g-C₃N₄纳米片修饰的玻璃碳电极，并将其用于三种目标分析物的同步检测。这一平台为抗精神病药物与神经递质的联合监测提供了便捷快速的解决方案，为实现实时治疗药物监测及个性化治疗方案奠定了基础。

章节节选

实验材料与设备

相关材料与设备的详细信息见补充资料第1.1节。

磷掺杂石墨碳氮化物纳米片的制备

磷掺杂石墨碳氮化物纳米片是通过先进行热聚缩合反应，再通过酸处理剥离的方法制得的。首先，将6.000克三聚氰胺与按化学计量比配制的磷酸二氢铵水溶液（0.768–5.117克）混合均匀，形成前驱体悬浮液，随后将该悬浮液在100 °C下脱水，得到白色固体复合材料。精确称取5.000克该复合材料

Pd/P-g-C₃N₄的制备与表征

通过XPS、FT-IR、XRD和TEM技术对Pd/P-g-C₃N₄的结构特征进行了分析。Pd/P-g-C₃N₄的完整XPS光谱显示出P 2p、C 1s、Pd 3d、N 1s和O 1s特征峰，其能量值分别为133.1、288.4、337.1、399.4和532.3 eV（见图1a）。C1s(a)、N 1s(b)、O1s(c)、P2p和Pd3d的高分辨率光谱与文献中的数据相符（见图S2），这证明了磷和钯元素已成功掺入Pd/P-g-C₃N₄材料中

结论

在本研究中，我们通过溶剂热法和化学还原法合成了二维Pd/P-g-C₃N₄纳米片，随后将所得溶液滴涂在玻璃碳电极上，制成了电化学传感器。机制研究显示，磷和钯的协同掺入通过缩小能隙并降低电化学阻抗，优化了g-C₃N₄的电子结构，进而提升了目标分析物氧化反应的速率。

作者贡献说明

何洁丽：论文撰写——审阅与编辑、课题指导、项目管理、资金获取、数据整理、概念设计。魏琴：论文撰写——审阅与编辑、课题指导。邹雅：结果验证、方法研究。刘庆志：论文撰写——初稿撰写、数据可视化、结果验证、方法研究。唐远菊：论文撰写——审阅与编辑、课题指导、资源协调。彭安忠：数据可视化。谭周红：论文撰写——初稿撰写、方法研究、实验分析、数据整理

备注

作者声明不存在任何竞争性财务利益。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据将在收到请求后提供。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：22162002）以及中国云南省基础研究计划（编号：202501AT070426）的支持。

Zhouhong Tan|Qingzhi Liu|Ya Zou|Anzhong Peng|Yuanju Tang|Qin Wei|Jieli He

中国云南省大理市671000，大理大学药学院昆虫生物制药研发重点实验室