靜脈全麻藥電化學(xué)檢測研究概述

黃 菲，周 慧，毛云飛，沈 明，金黨琴，錢 琛

(1.揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州 225127；2.揚州大學(xué)，江蘇 揚州 225002 )

靜脈全麻藥是指通過靜脈注射進入人體，借助血液循環(huán)作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)而產(chǎn)生全身麻醉的藥物[1]。與乙醚、氟烷、氧化亞氮等吸入性全麻藥相比，具有誘導(dǎo)迅速、無刺激性、安全環(huán)保等優(yōu)點，臨床上廣泛用于短時小型手術(shù)，如無痛人流、無痛胃腸鏡檢查等[1]。由于該類藥物麻醉效果明顯，且具有類似毒品的易成癮性，使用時必須十分謹(jǐn)慎，其劑量或純度需從嚴(yán)控制。近年來，諸多分析手段已用于其品質(zhì)監(jiān)控，包括液相色譜、氣相色譜、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、毛細(xì)管電泳等[2-3]。與上述方法相比，電化學(xué)檢測簡便、靈敏，日益受到關(guān)注，已逐漸成為研究熱點。有鑒于此，本文對最近二十年來靜脈全麻藥電化學(xué)檢測領(lǐng)域的研究進展進行概述，以期能為我國的醫(yī)藥及禁毒事業(yè)提供些許借鑒。

1 總體概況

我國目前生產(chǎn)和使用的靜脈全麻藥主要是羥丁酸鈉、依托咪酯、硫噴妥鈉、咪達(dá)唑侖、氯胺酮、丙泊酚等六種[1]。其中，羥丁酸鈉和依托咪酯由于分子結(jié)構(gòu)中缺少可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)的活性基團，目前尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)電化學(xué)檢測的文獻報道，故本文主要討論后四種藥物。

1.1 硫噴妥鈉

硫噴妥鈉(Thiopental Sodium，TPT)是一種親脂性高的短效巴比妥類麻醉藥，臨床上應(yīng)用最廣，主要用于全麻誘導(dǎo)和基礎(chǔ)麻醉[1]。Rizk等以全固態(tài)石墨為基底構(gòu)建了一種微型化的電位型膜電極，敏感膜由TPT-Cu2+離子締合物及分散在聚氨酯中的電活性物質(zhì)Co2+-紅菲咯啉對離子組成。TPT在電極上呈現(xiàn)類能斯特響應(yīng)，濃度線性范圍為1×10-1～5×10-5mol/L，檢測限為5×10-6mol/L。電極響應(yīng)時間為25～45 s，使用壽命達(dá)7周，穩(wěn)定性高，可直接用于藥樣和人體血清樣分析，結(jié)果準(zhǔn)確率為99.8±0.5%，可與紫外-可見分光光度法及英國藥典推薦的檢測方法相媲美[4]。Najafi等在TPT存在下，于金電極上電聚合苯酚，然后洗脫掉聚合膜中的模板分子TPT，制備出電容型分子印跡膜修飾電極。測定時，TPT濃度線性范圍為3～20 μmol/L，檢測限為0.6 μmol/L，電極具有良好的選擇性和再現(xiàn)性[5]。

1.2 咪達(dá)唑侖

咪達(dá)唑侖(Midazolam，MDZ)是一種苯并二氮雜?類麻醉藥，具有鎮(zhèn)靜、催眠和肌松作用，主要用于全麻誘導(dǎo)和維持[1]。Panahi等通過沉淀聚合的方法首次合成了一種MDZ的分子印跡膜納米顆粒，并用于修飾碳糊電極。測定時，MDZ的濃度線性范圍為5.0×10-10～1.0×10-7mol/L和1.0×10-7～1.0×10-6mol/L，檢測限為1.77×10-10mol/L。修飾電極成功用于藥樣和人體尿樣分析，有望實現(xiàn)復(fù)雜樣品中MDZ的痕量檢測[6]。Amorim等制備了一種基于β-環(huán)糊精的電位型傳感器，MDZ在電極上呈現(xiàn)良好的能斯特響應(yīng)，濃度線性范圍為5.7±2.7 g/L。電極微型化后作為檢測探頭整合到 “順序注射-閥上實驗室” 分析系統(tǒng)中，連續(xù)操作下，盡管電極的使用壽命從1年降至大約15天，但檢測的準(zhǔn)確度和精密度仍足以比肩通用的色譜方法[7]。

1.3 氯胺酮

氯胺酮(Ketamine，KTA)是一種親脂性高的非巴比妥類麻醉藥，主要用于全麻誘導(dǎo)和靜脈復(fù)合麻醉[1]。Shawish等制備了一種KTA離子選擇電極，敏感膜中，KTA-磷鉬酸鹽作為離子交換劑，親脂性的陰離子添加劑四苯硼鈉溶解在作為塑化劑的鄰苯二甲酸二丁脂中。電極響應(yīng)時間僅為7 s，在1.5×10-6～1.0×10-2mol/L范圍內(nèi)，KTA的電位呈現(xiàn)能斯特響應(yīng)，檢測限為1.2×10-7mol/L。電極使用壽命為22天，成功用于藥樣和人體尿樣分析[8]。此外，該小組將含有KTA、四苯硼鈉、聚氯乙烯等物質(zhì)的溶液涂覆在銀電極表面，干燥后制備出新型離子選擇電極，檢測性能與前者相當(dāng)[9]。Alizadeh等制備出以鄰硝基苯辛醚為塑化劑，離子末端基團作為交換劑的新型修飾聚氯乙烯膜電極，可直接用于KTA的電位分析，并研究了KTA與牛血清白蛋白的相互作用[10]。Deiminiat等采用循環(huán)伏安法進行電聚合，在鉛筆芯石墨電極上僅用一步就制備出KTA分子印跡膜，膜由聚酪胺、溶膠-凝膠、功能化MWCNTs-Au納米顆粒復(fù)合物和KTA組成。其中，納米復(fù)合物通過化學(xué)還原法合成，主要是為了提高電極的電子轉(zhuǎn)移速率和靈敏度，并借助X射線衍射、透射電鏡等手段來表征其結(jié)構(gòu)。同時，采用循環(huán)伏安、方波伏安、交流阻抗等方法來考察修飾電極的電化學(xué)性能。測定時，KTA濃度線性范圍為1.0～50.0 nmol/L及50.0～1000.0 nmol/L，檢測限為0.7 nmol/L，電極成功用于生物樣品分析[11]。Fu等在金屬有機框架材料-石墨烯納米復(fù)合物修飾的絲網(wǎng)印刷電極表面，通過紫外線誘導(dǎo)聚合甲基丙烯酸及乙二醇二甲基丙烯酸酯，形成KTA分子印跡膜。其中，絲網(wǎng)印刷電極可以增強印跡膜的附著力，提高整個傳感器的穩(wěn)定性。通過掃描電鏡、示差脈沖伏安等方法對印跡膜的形貌和性能進行了表征。測定時，KTA的濃度線性范圍寬至5個數(shù)量級，為1.0×10-10～4.0×10-5mol/L，檢測限則更是達(dá)到驚人的4.0×10-11mol/L，電極成功用于人體尿樣和唾液樣分析[12]。Schram等直接將絲網(wǎng)印刷電極作為檢測探頭整合到液-質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)中，通過方波伏安法研究KTA的電化學(xué)行為并進行測定，濃度線性范圍為50～2500 μmol/L，檢測限為11.7 μmol/L。該系統(tǒng)通過引入電極前處理步驟及整合數(shù)據(jù)處理程序以區(qū)分不同違禁藥物的電化學(xué)信號指紋圖譜，可以方便、快速地對貨物或者查禁物品中所含的KTA進行現(xiàn)場檢測識別[13]。Yang等在石英晶體微天平芯片上自組裝一層3-巰基丙酸，經(jīng) 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺和N-羥基丁二酰亞胺活化后，再將KTA抗體通過共價鍵合作用固定在芯片表面，形成無標(biāo)記免疫傳感器。以Fe(CN)64-/3-為電化學(xué)探針，采用交流阻抗法來表征傳感器的構(gòu)建過程。測定時，KTA的濃度線性范圍為1～40 pg/mL，檢測限為0.86 pg/mL。在對試樣除了稀釋而無需進行其它任何前處理的情況下，該傳感器可以直接用于人體尿樣分析，有望用于臨床或法庭KTA現(xiàn)場檢測[14]。此外，該小組同樣在金電極上，通過相似的辦法，制備出KTA免疫傳感器。采用交流阻抗法測定KTA，檢測限更是達(dá)到不可思議的0.41 pmol/L，實現(xiàn)了超微靈敏檢測。且傳感器可以通過NaOH-H3PO4(pH=12.0)溶液洗脫獲得再生，反復(fù)使用可達(dá)5次以上[15]。Narang等構(gòu)建了一種負(fù)載沸石-氧化石墨烯納米片的紙基電化學(xué)微流控芯片，制備簡單，成本低，有望實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。測定KTA時，濃度線性范圍為 0.001～5 nmol/mL，檢測限低至 0.001 nmol/mL[16]。Yehia等在紙基微流控芯片上構(gòu)建了一種KTA的三重模式檢測系統(tǒng)，三片檢測區(qū)域通過印染的辦法加以整合，可分別實現(xiàn)電位、熒光和比色分析。其中，電位檢測使用聚苯胺納米分散物作為電極材料，與USB接口相連。碳點-Au納米顆粒和Co(SCN)2則分別作為熒光和比色檢測試劑。該系統(tǒng)選擇性高，十分適合飲料中KTA的快速現(xiàn)場檢測，且完全達(dá)到WHO的標(biāo)準(zhǔn)[17]。Li等以聚酰胺-胺作為載體和鈍化劑，通過水熱法一步合成了水溶性碳點。經(jīng)過鈍化劑處理及修飾的碳點是一種均一的、直徑約為2 nm的單分散的球狀顆粒，成膜后熒光和電化學(xué)發(fā)光響應(yīng)信號得以增強，并由此構(gòu)建了一種KTA電化學(xué)發(fā)光免疫傳感器。測定時，濃度線性范圍為0.2～200 ng/mL，檢測限為0.067 ng/mL，傳感器成功用于人體血漿樣分析，有望實現(xiàn)無標(biāo)記檢測[18]。

1.4 丙泊酚

丙泊酚(Propofol，PPF)是一種烷基酸類短效麻醉藥，主要用于全麻誘導(dǎo)和維持[1]。Thiagarajan等研究了PPF在陽極預(yù)處理的絲網(wǎng)印刷碳電極上的電化學(xué)行為，其產(chǎn)生一峰形良好的氧化峰，峰電流作為檢測信號，可用于濃度為0.09～0.90 μmol/L范圍內(nèi)PPF的定量分析[19]。Pissinis等將玻碳電極作為檢測探頭置于反相高效液相色譜系統(tǒng)中，通過循環(huán)伏安法研究PPF的電極過程。通過優(yōu)化實驗條件，實現(xiàn)了高pH值下PPF的電化學(xué)檢測[20]。Moonla等構(gòu)建了一種基于集成微導(dǎo)管的雙分析物傳感器，其由兩種修飾不同材料的碳糊電極和Ag/AgCl參比電極整合在毫米級寬度的聚四氟乙烯管里構(gòu)成。通過方波伏安法，可以實現(xiàn)全血樣中PPF和芬太尼的實時原位檢測，其中PPF的檢測限為μmol/L級，而芬太尼為nmol/L級。整個傳感器具有長時間連續(xù)監(jiān)測的能力，且抗生物污染能力強，提高了藥物傳輸?shù)陌踩訹21]。Karim等制備了一種基于甲基丙烯酸二乙氨基乙酯的PPF分子印跡膜，通過固相萃取實驗對膜性能進行優(yōu)化，結(jié)果顯示印跡膜選擇性好，與尿素、葡萄糖等干擾物質(zhì)沒有交聯(lián)活性。將導(dǎo)電碳材料修飾到絲網(wǎng)印刷電極上，然后通過光聚合反應(yīng)固定印跡膜，形成最終的修飾電極。其可以在大量尿酸、抗壞血酸等活性物質(zhì)的存在下，檢測出最低4.19 μmol/L的PPF[22]。Hong等制備了一種基于分子印跡膜的一次性手持式微流控芯片生物傳感器，采用無標(biāo)記電化學(xué)檢測技術(shù)，可以低成本、方便地測定PPF。傳感器的響應(yīng)時間為25 s，PPF濃度線性范圍為0.1～30 μg/mL，檢測限為0.1 μg/mL，可以用于人體血漿樣中藥物的分離與分析。與傳統(tǒng)大型儀器相比，該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、選擇性高、成本低、響應(yīng)迅速，可以實現(xiàn)單步式檢測[23]。Fan等將PPF引入三聯(lián)吡啶釕/三丙胺電化學(xué)發(fā)光體系中，由于激發(fā)態(tài)的三聯(lián)吡啶釕和PPF的電化學(xué)氧化產(chǎn)物之間存在能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致發(fā)光淬滅，根據(jù)抑制信號強度可定量測定PPF，濃度線性范圍為20～8000 ng/mL，檢測限為10 ng/mL，該方法成功用于人體血清樣分析[24]。

2 領(lǐng)域特點

最近二十年來，靜脈全麻藥電化學(xué)檢測領(lǐng)域成果顯著，圍繞 “臨床高效分析” 、 “現(xiàn)場快速檢測” 等方面開展了一系列頗具實用價值的科研工作，與生物、醫(yī)藥、材料等行業(yè)的聯(lián)系日益緊密，已完全超越了單純電分析化學(xué)領(lǐng)域的范疇，形成了跨學(xué)科研究。其突出表現(xiàn)在 “四種技術(shù)” 的廣泛運用：

2.1 分子印跡技術(shù)

其以研究對象作為模板分子，通過與功能單體以非共價作用形成復(fù)合物，并經(jīng)交聯(lián)聚合反應(yīng)固化，最后將模板分子除去，形成具有一些大小、形狀及功能基團排列與模板分子互補的孔穴，從而對目標(biāo)物進行專一性識別[25]。從結(jié)構(gòu)來看，靜脈全麻藥分子中環(huán)狀構(gòu)型多，有機碳鏈長，缺少活性基團，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移十分困難，電化學(xué)響應(yīng)微弱。而如果在電極表面固定一層印跡膜，利用其和目標(biāo)分子之間強烈的相互作用及高度的空間匹配性，就有可能實現(xiàn)后者在電極表面富集，從而增加微區(qū)濃度，提高信號強度。而如果印跡膜本身就是導(dǎo)電聚合物或者在其中添加了金屬納米顆粒，那么電極的檢測靈敏度將會得到進一步改善。而印跡膜固有的特異性識別功能，足以保證電極具有良好的選擇性。本領(lǐng)域目前已有在金電極、碳糊電極、石墨電極、絲網(wǎng)印刷電極表面制備或固載靜脈全麻藥分子印跡膜的報道，均取得了不錯的檢測效果。

2.2 微流控芯片技術(shù)

其是一種精確控制和操控微尺度流體的方法，借助微機電加工和生物分析技術(shù)，在一塊微米尺度的芯片上，實現(xiàn)采樣、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元的集成化，具有體積小、輕質(zhì)化、便攜式、高通量、一次性等優(yōu)點[25]。眾所周知，傳統(tǒng)的電化學(xué)三電極檢測體系結(jié)構(gòu)龐大，拙于分離，樣品必須依次分析，進行現(xiàn)場快速檢測劣勢明顯。電化學(xué)分析系統(tǒng)若實現(xiàn)微型化和集成化，將會極大提高檢測效率，降低成本。本領(lǐng)域中， “閥上實驗室” 、 “紙基微流控芯片” 等微全分析系統(tǒng)已數(shù)次出現(xiàn)，顯示出強大的實用性。

2.3 免疫傳感技術(shù)

其主要基于抗體(或抗原)作為選擇性試劑來檢測各種抗原(或抗體)和半抗原以及能發(fā)生免疫反應(yīng)的生物活性物質(zhì)，具有高度的特異性，靈敏度極高[25]。靜脈全麻藥本質(zhì)上也是毒品，屬于國家嚴(yán)格管制的化學(xué)物質(zhì)。及時確定人體體液中藥物及代謝產(chǎn)物的種類及濃度，對醫(yī)生的診療和公安人員的執(zhí)法工作將大有裨益。尤其是非標(biāo)記電化學(xué)免疫傳感器，非常適合原位在線分析，本領(lǐng)域已有多篇研究報道涉及此類傳感器。

2.4 多手段聯(lián)用技術(shù)

本領(lǐng)域中，某些檢測依靠電化學(xué)發(fā)光、石英晶體微天平等手段完成，也有電化學(xué)發(fā)光-免疫傳感、高效液相色譜-電化學(xué)傳感等體系。這些聯(lián)用技術(shù)不僅保留了不同分析方法各自在光譜學(xué)、壓電化學(xué)、生物學(xué)、分離科學(xué)等領(lǐng)域的優(yōu)勢，也通過協(xié)同作用實現(xiàn)了整體檢測效能的最大化，展現(xiàn)出不同學(xué)科的深度融合。

需要指出的是，本領(lǐng)域盡管取得了一定進展，但依然存在一些不足。僅就電化學(xué)而言，就呈現(xiàn)出 “一低一少” 現(xiàn)象。

第一，化學(xué)修飾電極使用程度低。無論是傳統(tǒng)的自組裝膜修飾電極、導(dǎo)電聚合膜修飾電極、雜多酸修飾電極，還是時下流行的納米材料修飾電極，在本領(lǐng)域中的使用都是屈指可數(shù)。直接電化學(xué)檢測目前仍以離子選擇電極為主，雖然選擇性好，但靈敏度卻很一般，檢測限通常只能達(dá)到μmol/L級，這極大限制了電極在實際生物樣品分析中的應(yīng)用。

第二，電流型傳感器構(gòu)建數(shù)量少。已公開的文獻中，無論是分子印跡膜傳感器，還是免疫傳感器，從檢測信號的形式來看，以電位為主，當(dāng)然也有電容和阻抗，而電流卻不多見。從分析角度來說，雖然電位、電容和阻抗等參數(shù)都可用于研究，但畢竟不直觀，屬于 “間接證據(jù)” 。而電流(或伏安)則可以直接展示藥物的電化學(xué)反應(yīng)歷程，進行定量分析最為方便，但本領(lǐng)域目前高效能的電流型傳感器數(shù)量明顯不足。

3 研究方向

隨著今后國家對麻醉藥品的管控日趨嚴(yán)格以及對毒品犯罪的持續(xù)打擊，藥物檢測研究意義凸顯。預(yù)計未來將會聚焦于如下兩個方面：

3.1 深化檢測技術(shù)聯(lián)用及芯片分析

本領(lǐng)域當(dāng)前發(fā)展方興未艾，不同學(xué)科之間的交叉融合已成常態(tài)。應(yīng)當(dāng)繼續(xù)保持這種良好的研究態(tài)勢，強化多技術(shù)聯(lián)用。例如，可以嘗試開發(fā)基于分子印跡膜的無標(biāo)記電化學(xué)免疫傳感器或者發(fā)展毛細(xì)管電泳-電化學(xué)發(fā)光、流動注射-電化學(xué)發(fā)光、固/液相微萃取-電化學(xué)發(fā)光等檢測體系。另一方面，對靜脈全麻藥而言，由于服務(wù)的終極對象是人，人體體液樣品事實上最具研究價值，故芯片分析技術(shù)將有廣闊的用武之地。除去前面已談到的微流控芯片，微陣列芯片同樣值得關(guān)注。尤其要重點研究靜脈全麻藥在蛋白質(zhì)芯片和DNA芯片上的吸附/脫附行為和作用機理，這對于尋找藥物的結(jié)合靶點，理解藥理、毒理及成癮機制，制定合理的用藥規(guī)則有著不可估量的現(xiàn)實意義。

3.2 制備納米復(fù)合材料修飾電極

納米材料由于具有特殊的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、電子效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)和催化效應(yīng)，在電化學(xué)檢測中發(fā)揮了重大作用。而納米復(fù)合材料由于有機整合了各組分的優(yōu)點，更將上述優(yōu)勢發(fā)揮至極致。針對靜脈全麻藥光譜學(xué)性能好、電化學(xué)活性低的特點，目前可以考慮的納米材料包括：高導(dǎo)電性能及催化性能的納米貴金屬顆粒、碳納米管、石墨烯；強吸附性能的納米金屬氧化物；選擇性高的納米分子印跡膜；光電轉(zhuǎn)換效能強的熒光量子點等。例如 “納米貴金屬顆粒+納米分子印跡膜” 復(fù)合物，前者可以加快電子在電極界面和藥物分子之間的轉(zhuǎn)移速率，降低藥物的過電位，促進氧化還原反應(yīng)的進行，進而增強藥物分子的電極響應(yīng)信號。而后者就足以保證電極優(yōu)良的分子識別及抗干擾能力。又如 “納米金屬氧化物+熒光量子點” 復(fù)合物，前者可以改善藥物分子在電極表面的富集效果，增強響應(yīng)信號。后者則具有很強的光催化活性，可以借助光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)激發(fā)靜脈麻醉藥的電化學(xué)活性。兩者協(xié)同作用，從而實現(xiàn)靈敏檢測。這些納米復(fù)合材料的制備，極大拓展了電極的使用性能，有助于構(gòu)建高效直接的電流型傳感器。故納米材料的種類、尺寸、空間構(gòu)型、合成、表征及組裝方法的選擇和優(yōu)化，是值得深入探討的。進一步地，如果能將納米材料修飾電極微型化或陣列化，作為終端檢測探頭整合到特定分析系統(tǒng)中，將更能發(fā)揮電化學(xué)檢測的優(yōu)勢與作用。

4 結(jié)語

最近二十年，靜脈全麻藥電化學(xué)檢測領(lǐng)域發(fā)展迅速，成果豐碩。分子印跡、微流控芯片、免疫傳感和多手段聯(lián)用等技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用，但仍存在化學(xué)修飾電極使用程度低及電流型傳感器構(gòu)建數(shù)量少等問題。預(yù)計未來的研究將會聚焦于深化檢測技術(shù)聯(lián)用和芯片分析及制備納米復(fù)合材料修飾電極。