磁性生物炭/羟基磷灰石纳米复合物修饰碳糊电极的绿色设计用于多巴胺灵敏检测

《Results in Chemistry》：Green design of magnetic biochar/hydroxyapatite nanocomposite-modified carbon paste electrode for sensitive dopamine detection

　　

在本研究中，研究人员开发了一种用于多巴胺(DA)检测的电化学传感器，该传感器采用经生物炭/羟基磷灰石/Fe₃O₄(BC/HA-Fe₃O₄)纳米复合物修饰的碳糊电极(CPE)。该纳米复合物通过一种简单、环保的方法合成。材料的结构、形貌和磁性能通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)、比表面积分析(BET)和振动样品磁强计(VSM)进行了表征。采用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)的电化学研究表明，与未修饰的CPE相比，修饰电极具有更好的导电性和更快的电子转移速率。研究人员使用CV和差分脉冲伏安法(DPV)研究多巴胺的电化学行为。在优化条件下，该传感器在0.01–660 μM浓度范围内表现出线性响应。检测限(LOD)和定量限(LOQ)分别为4.0 nM和10.0 nM。该传感器表现出良好的重复性(日内测量RSD = 2.05%)和再现性(日间测量RSD = 2.5%)。在常见干扰物质存在下，该传感器对多巴胺表现出高选择性。该传感器被用于药物制剂和人血清样本中多巴胺的测定，回收率令人满意(97–103%)，表明其在实际应用中的潜力。

**论文解读：基于绿色合成BC/HA-Fe₃O₄纳米复合物修饰碳糊电极的多巴胺高灵敏电化学检测研究**

**研究背景与意义**

多巴胺(DA)是一种关键的单胺类神经递质，于1958年由Carlsson及其同事首次发现。它在心血管功能、中枢神经系统活动、内分泌信号传导和肾功能等多种生理过程中发挥着核心调节作用，并深度参与注意力、学习、记忆、运动控制、情绪和决策等关键认知与行为功能的调控。多巴胺水平的失调可导致严重的健康问题：浓度过高可能引发心动过速、高血压、心力衰竭等心脏毒性效应及物质成瘾，而多巴胺缺乏则与帕金森病、精神分裂症、阿尔茨海默病和重度抑郁症等神经退行性和精神疾病密切相关。鉴于这些疾病对全球健康的深远影响，开发灵敏、选择性好且操作简便的多巴胺痕量检测平台，对于临床监测和早期诊断具有重大意义。

生物炭(BC)是一种富含碳的固体材料，通过有机生物质在限氧条件下的热化学处理获得。其高度多孔、结构稳定，表面富含多种官能团，具有高比表面积和可调孔隙率，使其在电化学应用中备受关注。羟基磷灰石(HA)作为人骨和牙齿的主要无机成分，具有良好的生物相容性、生物活性和丰富的表面吸附位点，其酸碱特性、离子交换能力及高吸附潜力使其成为电化学传感领域有前景的电极修饰材料。然而，HA本身导电性较差，通过掺杂金属离子或纳米粒子可有效提升其导电性。其中，羟基磷灰石-Fe₃O₄纳米复合物因其良好的生物相容性、适当的机械强度和增强的电化学性能，在电化学传感应用中展现出巨大潜力。尽管已有多种多巴胺电化学传感器被报道，但开发一种绿色、环保且性能优异的电极修饰材料仍是研究热点。本研究首次将BC/HA-Fe₃O₄纳米复合物用作碳糊电极(CPE)修饰剂，用于电化学传感应用。

**研究内容概述**

本研究通过高温热解桑叶废弃物制备生物炭，采用湿化学沉淀法合成BC/HA纳米复合物，再经水热共沉淀法将Fe₃O₄纳米粒子负载于BC/HA基质上，成功制备了具有磁性的BC/HA-Fe₃O₄三元纳米复合物。研究人员将该复合物用于修饰碳糊电极，构建了用于多巴胺高灵敏检测的电化学传感器。该传感器在优化条件下对多巴胺表现出宽的线性范围(0.01–660 μM)、低的检测限(4.0 nM)和良好的选择性，并成功应用于人血清和药物制剂中多巴胺的测定。

**主要关键技术方法**

本研究采用了以下关键技术方法：(1) 微波辅助热解法——在氮气氛围下将桑叶废弃物转化为生物炭；(2) 湿化学共沉淀法——合成BC/HA复合物；(3) 水热共沉淀法——将Fe₃O₄纳米粒子负载于BC/HA表面，赋予材料磁性；(4) 多种材料表征技术——FTIR、XRD、FESEM、EDS、BET、VSM对材料结构、形貌和性能进行系统表征；(5) 电化学分析方法——循环伏安法(CV)、差分脉冲伏安法(DPV)和电化学阻抗谱(EIS)用于评估电极性能和多巴胺检测。实际样本包括来自Yasuj Beheshti医院的人血清样本和当地药房获得的多巴胺安瓿瓶(Caspian公司)。

**主要研究结果**

**表征结果**：FTIR光谱证实了桑叶基生物炭表面富含含氧官能团(约3500 cm?1处-OH伸缩振动、约2920 cm?1处脂肪族C-H伸缩振动、约1680 cm?1处C=O伸缩振动、约1610 cm?1处芳香族C=C伸缩振动、约1050 cm?1处C-O伸缩振动)，BC/HA复合物在960 cm?1和490 cm?1处出现归属于羟基磷灰石磷酸根PO伸缩振动和PO弯曲振动的新吸收峰，BC/HA-Fe₃O₄光谱中约580 cm?1处的宽吸收带同时涵盖HA的PO弯曲振动和磁铁矿相的Fe-O伸缩振动，证实了磁性纳米复合物的成功形成。XRD图谱显示BC具有非晶态结构(2θ≈22–24°的宽峰对应无序碳(002)晶面)，BC/HA复合物中出现的2θ≈24.5°、28.5°、30.3°、33.6°、34.9°和41.8°衍射峰对应六方羟基磷灰石(JCPDS No. 09-0432)的(002)、(102)、(210)、(211)、(300)和(310)晶面；BC/HA-Fe₃O₄额外出现的2θ≈30.1°、35.5°、43.1°、53.3°、56.9°和62.6°衍射峰对应磁铁矿立方尖晶石结构(JCPDS No. 19-0629)的(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)晶面，确认了纳米晶Fe₃O₄的成功负载。VSM分析表明该纳米复合物具有超顺磁性，饱和磁化强度为16.93 emu g?1(低于纯Fe₃O₄-NPs的140 emu g?1)，但其剩磁为零，仍足以实现外部磁场高效分离。FESEM和EDX分析显示复合物表面呈异质多孔形貌，Ca、P、Fe元素均匀分布于碳骨架表面，证实了HA和Fe₃O₄纳米粒子的成功负载及复合物的结构完整性。BET分析表明该复合物呈典型介孔结构(IV型等温线)，比表面积为32.5 m2 g?1，总孔体积为0.095 cm3 g?1，BJH模型显示主要孔径约为9 nm。

**扫描速率影响**：循环伏安研究表明，在10–200 mV/s扫描速率范围内，多巴胺氧化峰电流与扫描速率平方根呈良好线性关系(I_p = 1.1383ν^1/2 + 1.4406, r = 0.997)，表明电极过程受扩散控制。基于峰电位与logν的关系式计算得到电子转移系数α为0.7(基于n_α = 2)，接近理论理想值0.5，表明BC/HA-Fe₃O₄/CPE界面具有有利且高效的电子转移动力学。

**修饰电极的电化学行为**：在100 μM多巴胺溶液中以0.1 V/s扫描速率进行CV测试，BC/HA-Fe₃O₄/CPE表现出最高的电催化活性，其阳极和阴极峰电流约为裸CPE的三倍。对照实验表明，仅用BC/HA或仅用Fe₃O₄修饰的电极性能有限，而三元复合物通过组分间的协同效应——生物炭作为导电碳骨架增强电子传输、羟基磷灰石作为选择性吸附剂富集多巴胺分子、Fe₃O₄纳米粒子提供主要电催化活性——显著提升了传感性能。

**电化学阻抗谱**：EIS研究显示，裸CPE的电荷转移电阻(R_ct)约为11 kΩ，Fe₃O₄/CPE降至7.5 kΩ，BC/HA/CPE进一步降至6.8 kΩ，而BC/HA-Fe₃O₄/CPE表现出最低的R_ct值3.9 kΩ，相对裸CPE降低了65%，证实了三元复合物协同效应对电荷转移性能的显著增强。

**实验条件优化**：通过优化BC/HA-Fe₃O₄修饰剂含量，发现5%(w/w)为最佳负载量，此时阳极峰电流达到最大值16.83 μA，约为裸电极的2.3倍。溶液pH优化研究表明，pH 7.0时阳极峰电流最大，且峰电位随pH变化斜率为?63 mV/pH，表明多巴胺氧化过程涉及两质子两电子(m = n = 2)转移，符合能斯特行为。

**重复性、再现性与稳定性**：连续五次DPV测量50 μM多巴胺溶液(同一电极)所得RSD为2.05%；用五支独立制备的电极在不同天数测试所得RSD为4.11%。电极在室温干燥器中储存60天后仍保留90%的初始电流响应，表明其具有良好的长期稳定性。

**干扰研究**：选择性测试表明，当葡萄糖(浓度比1:15)、尿素(1:10)、对乙酰氨基酚(1:4)和抗坏血酸(1:3)存在时，多巴胺信号变化约为2%，均在±5%可接受范围内，证明该传感器对多巴胺具有良好的选择性。

**实际样本分析**：传感器用于人血清和市售多巴胺安瓿瓶样本中多巴胺的定量检测，采用标准加入法消除基质效应。所有样本的回收率范围为89%至100.4%(表2部分数据：血清样本5 μM添加回收率94.2%、25 μM回收率89.0%、100 μM回收率91.66%；多巴胺安瓿5 μM回收率100.4%、25 μM回收率98.7%、100 μM回收率99.28%)，相对标准偏差(RSD)均低于3.8%，证实了该方法在复杂生物基质中的准确性。

**总结与结论**

本研究通过绿色环保的方法合成了磁性BC/HA-Fe₃O₄纳米复合物，并将其成功应用于碳糊电极的修饰。多种表征手段确认了复合物的成功合成及各组分的有效整合，其中羟基磷灰石提供了多孔结构和吸附位点，Fe₃O₄纳米粒子提供了磁响应性和电催化活性，生物炭作为导电骨架促进了电子转移，三者的协同作用显著提升了电极的电化学性能。该传感器展现出宽的线性范围(0.01–660 μM)、高的灵敏度(0.027 μA/μM)、低的检测限(LOD为4.0 nM、LOQ为10.0 nM)、良好的选择性、优异的重复性(RSD = 2.05%)和再现性(RSD = 4.11%)以及长期稳定性(60天后保持90%信号)，并在人血清样本(回收率89–100.4%)和多巴胺安瓿样本中取得了满意的测定结果。与文献中其他多巴胺传感器相比，该传感器在绿色环保性、磁可回收性和实际应用方面具有明显优势，为多巴胺的临床诊断和药物监测提供了一种可靠、环保且高效的检测平台。