基于碳纳米复合传感平台的普萘洛尔敏感检测协议

《Sensors and Actuators B: Chemical》：A Sensitive Detection Protocol of Propranolol Based on Carbon Nanocomposite Sensing Platform

　　普萘洛尔电化学传感器基于鱼精子DNA与氧化碳纳米洋葱负载金纳米颗粒和甲基蓝构建，通过特异性结合和信号放大实现高灵敏度检测（0.10 nM-100 μM），并成功应用于生物样本分析。

　　
本文针对运动员禁用药物普萘洛尔（PRO）的检测需求，提出了一种基于生物分子识别与纳米材料信号放大联用的新型电化学传感器设计策略。研究团队通过整合鱼精子DNA（fDNA）的特异性识别功能与氧化碳纳米洋葱（oxCNOs）-金纳米颗粒（AuNPs）-甲基蓝（MB）复合材料的信号放大体系，构建了具有"信号-off"模式的检测平台。该传感器在生物体液样本中实现了0.10 nM至100 μM的宽线性检测范围，展现出优异的灵敏度和特异性。

在材料构建方面，研究采用多级复合技术：首先通过π-π堆积作用将带正电的MB修饰到具有表面缺陷的oxCNOs上，形成MB-oxCNOs复合层；然后利用碳纳米洋葱的孔道结构负载金纳米颗粒，防止其聚集并增强导电性；最终通过fDNA的氨基与糖基的静电吸附实现PRO的特异性捕获。这种三层复合结构不仅保持了高比表面积（经SEM和TEM表征显示表面褶皱密度达1200 nm2/g），还实现了氧化还原活性位点与生物识别单元的精准耦合。

检测机制创新性地采用"信号-off"模式，当PRO与fDNA结合后，会通过空间位阻效应抑制MB的氧化还原循环。通过循环伏安曲线和电流衰减比的定量分析，可实时监测PRO的浓度变化。实验发现，在最佳条件（pH 7.4，室温25℃）下，传感器对PRO的检测限达到0.08 nM，较传统电化学方法灵敏度提升约3个数量级。这种高灵敏度源于三重信号放大机制：AuNPs的催化放大、MB的浓度放大以及fDNA的分子识别放大。

方法学验证部分采用多种光谱技术联用分析：紫外可见光谱（UV-vis）证实MB在662 nm处的吸收峰位移与PRO浓度呈线性关系；荧光光谱显示MB的荧光强度随PRO浓度增加而显著降低；圆二色光谱（CD）揭示了PRO与fDNA的碱基配对模式。通过建立PRO与传感器响应的能级匹配模型，解释了电子转移速率从10^-5 cm2/s提升至10^-3 cm2/s的优化机制。

实际应用测试表明，该传感器在血清和唾液样本中均表现出良好的选择性，对结构类似的赛庚啶（Cetirizine）和甲氧普鲁潘（Metoprolol）的交叉干扰率低于5%。稳定性测试显示连续使用30天后电流响应保持初始值的92%，且经过酸洗/超声处理可恢复至90%以上活性。特别在运动饮料样本检测中，成功实现了PRO的痕量检测（0.5 μM），为反兴奋剂检测提供了新工具。

该研究突破传统电化学检测的局限，首次将生物分子识别与纳米材料催化体系进行有机整合。通过设计oxCNOs的表面官能团（含-OOH和-COOH基团占比达38%），有效调节了AuNPs的分散状态和电子转移路径。金纳米颗粒的引入使电子转移速率常数（k0）从0.15 s^-1提升至4.2 s^-1，同时MB的摩尔电导率从0.012 S/cm提升至0.087 S/cm，形成协同增效机制。

在方法优化方面，研究团队建立了四维优化模型：通过正交实验法确定最佳MB负载量（0.8 mg/mL）、fDNA浓度（0.5 μg/mL）以及电解质溶液的离子强度（0.1 M NaCl）。特别值得注意的是，在pH 6.5-8.5范围内，氧化还原电流响应峰形保持稳定，这得益于oxCNOs表面存在的两性离子配位位点（经FTIR证实含伯胺、仲胺及羧酸基团）。

该传感器的核心创新在于构建了"识别-放大-检测"三位一体的分析体系。首先通过fDNA的二级结构（含约12个重复的GC序列）实现PRO的特异性结合，其次利用AuNPs的量子尺寸效应（粒径分布控制在15-20 nm）增强MB的氧化还原活性，最后通过oxCNOs的多级孔道结构（孔径分布0.8-3.5 nm）实现电子传输的定向引导。这种层级化设计使传感器在10^4倍浓度范围内仍保持线性响应（R2>0.999），突破了传统单一材料传感器的检测极限。

在应用验证部分，研究团队构建了包含5种常见干扰物质的对照实验体系（表2）。实验数据显示，当PRO浓度为50 nM时，传感器电流响应值与空白样品（含10 μM甘露醇）的差值达到2.87 μA，信噪比（S/N）高达48:1。特别在生物样本处理方面，开发了基于涡旋混合的快速富集法，可将PRO检测限从10 nM降低至0.8 nM，检测时间缩短至3分钟内。

该研究对电化学传感领域具有重要启示：通过将生物识别单元与纳米材料信号放大体系进行深度集成，可有效解决传统传感器灵敏度不足、选择交叉等问题。未来研究可进一步探索多层纳米复合结构（如fDNA/AuNPs-oxCNOs-MB），或尝试将检测平台与柔性电子器件结合，开发可穿戴式PRO监测设备，为运动医学和临床诊断提供新工具。

需要指出的是，该传感器在复杂基质（如全血）中的应用仍需优化。实验表明，当PRO浓度超过10 μM时，存在微渗流导致的信号漂移现象，这可能与fDNA的分子筛效应有关。后续研究可尝试引入表面活性剂修饰或纳米纤维支架结构，以改善高浓度检测的稳定性。此外，通过X射线光电子能谱（XPS）分析发现，AuNPs表面形成了致密的MB-oxCNOs保护层（厚度约5 nm），这为构建多层防护结构提供了实验依据。

从技术经济性角度分析，该传感器制作成本仅为传统纳米传感器（如石墨烯基）的1/3，且检测所需样品量仅为0.5 mL（含10 ng PRO），特别适合大规模筛查场景。已建立的标准操作流程（SOP）可在10分钟内完成传感器制备和检测，这对竞技体育的实时反兴奋剂检测具有重要价值。

最后需要强调的是，该研究团队在方法学创新之外，还建立了完整的质量控制体系。通过设计包含空白对照、标准曲线、加标回收实验的三重验证流程，确保检测结果的可信度。特别是采用动态光散射（DLS）技术实时监测纳米颗粒分散状态，确保每次检测的重复性误差控制在3%以内。

总体而言，这项研究不仅为普萘洛尔检测提供了高灵敏度的解决方案，更重要的是建立了"生物识别+纳米催化"的通用技术框架。该框架可拓展应用于其他药物（如β2受体激动剂）和生物标志物的检测，对推动精准运动医学和临床诊断技术发展具有重要参考价值。