局部电荷工程赋予Fe和N共修饰的MWCNTs在生物流体中对多巴胺具有高灵敏度的电化学检测能力

《Applied Surface Science》：Local charge engineering endows Fe and N co-modified MWCNTs with sensitive dopamine electrochemical detection in biofluids

本研究设计了一种Fe-N共修饰多壁碳纳米管（MWCNTs）电化学传感器，结合DFT模拟与实验验证，发现Fe-N共修饰通过破坏碳六元环结构并增强电荷分布，显著提升多巴胺吸附能力。最佳传感器（Fe-N-MWCNTs-3）在PBS缓冲液中对100 μM多巴胺的响应电流达152.6 μA，检测极限低至0.0012 μM，并成功应用于人工尿和唾液中，灵敏度分别为0.9569和1.3439 μA·μM?1。集成便携式电子设备后，该传感器可实现快速准确检测，为神经疾病诊断提供新工具。

　　

孙振超|孙善富|李松林|何晓川|王英琳|王思远|王明尧|王晨|郝西东|程鹏飞|史磊

西安电子科技大学航空航天科学技术学院，中国西安710126

摘要

开发便携式、经济可行且高度敏感的传感器，用于检测人体生物流体中的生物标志物，对于疾病的早期诊断和治疗效果的评估至关重要。在这项工作中，设计了一种电化学传感器，该传感器结合了Fe和N共修饰的多壁碳纳米管（Fe-N-MWCNTs），涂覆在丝网印刷电极上，并配有一个集成的便携式电子系统，用于检测生物流体中的多巴胺水平。密度泛函理论（DFT）模拟表明，Fe和N的共修饰破坏了碳的六元环结构，增强了MWCNTs共轭大π键系统内的电荷非均匀分布，从而提高了对多巴胺分子的吸附能力。最优的Fe-N-MWCNTs-3传感器表现出优异的检测性能，在PBS缓冲液中，对100 μM多巴胺的电流响应达到152.6 μA，检测限低至0.0012 μM。此外，当应用于人工尿液和唾液中多巴胺的检测时，该传感器的灵敏度分别为0.9569 μA·μM^?1和1.3439 μA·μM^?1。最重要的是，与Fe-N-MWCNTs-3传感器集成在一起的便携式电子设备实现了对人工尿液中多巴胺的快速准确检测。这项研究强调了电化学传感器在预测精神分裂症和帕金森病等神经系统疾病方面的潜在应用价值。

引言

作为主要的儿茶酚胺类神经递质，多巴胺在人体系统中具有多种作用，包括调节神经通信、肾功能、心血管活动，并对情绪和运动控制产生根本性影响[1]、[2]、[3]。多巴胺浓度异常与多种神经系统疾病和某些内分泌紊乱密切相关。低水平的多巴胺可引发精神分裂症、帕金森病和阿尔茨海默病[4]、[5]，而高水平的多巴胺可能导致心力衰竭和成瘾[6]。因此，作为临床试验中的可测量指标，实现生物流体中多巴胺的高灵敏度和选择性检测对于疾病的早期诊断和治疗评估具有重要的临床价值[7]。传统的多巴胺测定方法依赖于流动注射分析[8]、比色法[9]、酶联免疫吸附测定[10]、高效液相色谱[11]、化学发光和毛细管电泳[12]、[13]、[14]。然而，这些方法通常存在操作繁琐、耗时较长和成本较高的局限性。近年来，由于操作简便和响应迅速的优点，电分析技术受到了广泛关注，并在临床诊断和生物标志物监测中得到越来越多的应用[15]、[16]、[17]。然而，电化学检测性能从根本上取决于电极材料的组成、结构特征和表面形态[18]。为此，通过增强氧化还原过程来开发高灵敏度的电极，对于快速准确识别多巴胺具有重要意义，从而有助于其在神经系统疾病筛查中的应用。

最近的研究揭示了使用各种敏感材料对裸电极进行修饰以检测多巴胺分子的方法，包括导电聚合物[19]、自组装单层[20]、贵金属纳米颗粒[21]和碳基材料[22]。其中，多壁碳纳米管（MWCNTs）由于其优异的电导率和较大的比表面积，被广泛用于制备改性电极。这些固有特性共同作用，降低了氧化还原过电位，提高了电极的选择性和灵敏度[23]、[24]、[25]。例如，郭等人通过湿化学方法制备了不同氧化程度的MWCNTs，并将其用于多巴胺的检测[26]。Thomas等人利用MWCNTs修饰碳浆电极，在尿酸和抗坏血酸存在下选择性检测了肾上腺素[27]。然而，MWCNTs在电化学传感器中的实际应用受到其较差的电催化活性和在多组分介质中抗干扰能力不足的限制[28]、[29]。为了进一步提高MWCNTs修饰电极的检测灵敏度，人们探索了多种优化策略，包括金属纳米颗粒负载[30]、非金属掺杂[31]和表面羧基化[32]。特别是，将杂原子引入MWCNTs结构中不仅保持了其电导率，还通过改变局部电荷分布改善了电化学性能[33]。例如，氮掺杂可以破坏MWCNTs稳定的六元环结构，从而形成新的活性位点以与分子反应[34]、[35]。此外，MWCNTs表面生成的N-C可以作为功能化位点，用于锚定其他金属原子[36]、[37]、[38]。各种金属原子，如Ag、Pt、Ru等，已被固定在N-MWCNTs上，用作高效电化学传感器和催化剂[39]、[40]、[41]。在之前的研究中，我们证明了Fe和N的共修饰增加了碳材料费米能级的电荷密度，并增强了它们的氧还原活性[42]、[43]。因此，提出了一个问题：是否可以通过Fe和N的共修饰改变MWCNTs表面的局部电荷分布，从而进一步提高其对多巴胺的电化学检测能力。

在此，基于影响分子吸附的局部电荷分布的理论机制研究，通过两步热解法设计并制备了Fe和N共修饰的多壁碳纳米管（Fe-N-MWCNTs）作为多巴胺检测的敏感材料。密度泛函理论（DFT）计算表明，Fe和N的共修饰可以增强MWCNTs共轭大π键系统内的电荷非均匀分布，并提高费米能级附近的态密度（DOS），从而提高对多巴胺的吸附能力。作为电化学检测结果，以FePc与N-MWCNTs的质量比为1:6制备的Fe-N-MWCNTs-3显示出优异的多巴胺检测性能。差分脉冲伏安法（DPV）测量显示，对100 μM多巴胺的响应电流达到152.6 μA，低浓度范围内的检测限（信噪比为3）为0.0012 μM。当将获得的Fe-N-MWCNTs-3传感器应用于生物流体（人工尿液和唾液）中的多巴胺检测时，其在低浓度范围内的灵敏度分别为0.9569 μA·μM^?1和1.3439 μA·μM^?1

材料

本研究使用的所有化学试剂均为分析级，按原样使用，无需进一步纯化。多壁碳纳米管（MWCNTs，纯度：>95 wt%，直径：>50 nm，长度：0.5–2 μm）购自南京XFNANO材料科技有限公司。氢氧化钾（KOH，95 wt%）、六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂·6H₂O，AR，99%）、2-甲基咪唑（C₄H₆N₂，98 wt%）、铁(Ⅱ)酞菁（FePc，>97 wt%）和氯金酸（HAuCl₄溶液均来自相应供应商。

敏感材料设计概念：Fe和N共修饰的MWCNTs

在合成之前，首先进行了先进的DFT模拟（单层碳（001）表面的态密度（DOS）和电荷密度分布），以评估Fe和N的共修饰是否可以改变MWCNTs的局部电荷结构（图1）。如图1a和b所示，MWCNTs的局部表面结构由通过sp²杂化形成的碳原子组成，使其表面易于电子转移。

结论

总之，从局部电荷分布的角度进行的理论计算预测了多巴胺分子的化学吸附能力的增强，这为指导Fe和N共修饰MWCNTs作为高效化学传感器的实验合成提供了依据。DFT计算表明，Fe和N的共修饰增强了MWCNTs表面的电荷非均匀分布，促进了其对多巴胺分子的吸附。

CRediT作者贡献声明

孙振超：撰写——原始草稿，概念构思。孙善富：撰写——审稿与编辑，监督，概念构思。李松林：软件，方法学。何晓川：软件。王英琳：监督，资金获取。王思远：正式分析，数据管理。王明尧：可视化，概念构思。王晨：资源，正式分析。郝西东：监督，方法学。程鹏飞：监督，项目管理。史磊：资源，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：22205169、62071363、62271378、62301399）、中国博士后科学基金（编号：2024T170694、2023M742734）、陕西省重点研发计划（编号：2024GX-YBXM-332）、陕西省博士后研究项目资助（编号：2023BSHYDZZ93）、中央高校基本科研业务费（编号：ZYTS25249、JB211308、XJS221309）以及内蒙古自治区科技厅的支持。