电化学方法检测胆固醇的研究进展.pdf

随着人类生活质量的提高，胆固醇的检测成为一个重要的研究课题。电化学方法具有选择性强、检测速度快等优点。综述了近年来利用电化学方法在有酶和无酶的条件下测定胆固醇含量的电化学原理和最新进展，并对用电化学方法检测胆固醇进行了展望。关 键 词：胆固醇；有酶；无酶；电化学传感器 中图分类号：O657.1 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）08-1193-04 胆固醇是一种化学式为 C27H46O 的环戊烷多氢菲的衍生物。胆固醇是人体内最普遍存在的化合物，主要存在于大脑的中枢神经组织，另外还存在于肾脏、脾脏、皮肤以及胆汁。胆固醇能经由多种途径进入身体。高胆固醇会引起慢性心脏病、高血压、脑血栓等致命的心脑血管病1-2。目前，胆固醇的检测方法有高效液相色谱法3-4，比色法5-6和光谱法7-8等，这些检测方法一般存在检测周期长、灵敏度低、选择性、仪器标准化、样品预处理要求高等缺点。另一方面，电化学方法9-10由于具有选择性强、制备方法简单、仪器简单、成本低、操作方便、检测速度快等特点，受到研究者的广泛关注11。电化学检测胆固醇的方法包括包括差分脉冲伏安法（DPV）12、安培法13-14,15-17、电荷转移（CT）18、循 环 伏 安 法（CV）19-22、线 性 扫 描 伏 安 法 （LSV）23-24、电化学发光法（ECL）25和电化学阻抗谱（EIS）26。在这些方法中，电流测量法是许多研究中最常用和最敏感的方法27。随着技术的发展，基于各种材料制备出的胆固醇电化学传感器成为研究热点之一。1 电化学方法检测胆固醇的原理 1.1 基于胆固醇氧化酶电化学检测胆固醇的原理 胆固醇氧化酶（ChOx）是一种含有黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）的叶黄素酶，在氧气存在下催化胆固醇，生成胆固醇-4-烯-3-酮和H2O228。基于ChOx电化学检测胆固醇的原理主有 3 类，如图 1 所示。第一类：氧气作为电子传输介质，用氧电极或H2O2电极测量氧消耗或氧化产物 H2O2浓度来检测胆固醇含量。第二类：使用电子介体，如二茂铁及其衍生 物29-30、铁氰化物31、染料分子32-33和苯酚34等，替代氧气和 H2O2在电极表面和 ChOx 活性中心之间（FAD）有效传递电子，通过检测电子介体在电极表面氧化还原得失电子数检测胆固醇的含量。第三类：随着各种新型电极材料的研制，基于电极与 ChOx 之间的直接电子转移（DET）的电化学检测胆固醇方法也随之产生，胆固醇的含量可以通过酶在电极表面的直接氧化还原得失电子数来测定。图 1 ChOx 存在下电化学检测胆固醇的原理图 1.2 无酶电化学检测胆固醇的原理 为了克服酶在使用过程中受到储存和分析条件的限制，近年发展了无酶电化学检测胆固醇的方法。无酶电化学测定是通过直接在电极表面电化学催化胆固醇或通过氧化还原剂电子介质来传导胆固醇与电极表面电子进行间接检测，如图 2 所示。1194 辽 宁 化 工 2023 年 8 月 图 2 在无酶的条件下电化学测胆固醇原理图 2 电化学检测胆固醇研究进展 2.1 基于胆固醇氧化酶电化学检测胆固醇的进展 基于 ChOx 的胆固醇电化学检测是通过固化附着在工作电极表层上的 ChOx 特异性识别和催化胆固醇，利用天然化学物质如氧气为主要电子传递介质，来测定氧气消耗及 ChOx 氧化产物含量的传感器。其主要机理是 ChOx 催化游离胆固醇在 O2存在下生成胆固醇-4-烯-3-酮和 H2O2，然后用氧电极或H2O2电极测定胆固醇含量。夏天子35等利用一类新型的二维过渡金属碳化物、氮化物（MXene）和壳聚糖（Chit）的有益特性设计成了胆固醇传感器，如图 3所示。Chit 和 Ti3C2Tx 作为支撑ChOx的底物，并在提高电导率方面发挥作用。修饰电极对 H2O2电化学响应与胆固醇浓度在0.34.5 nmolL-1之间有良好的线性关系，它的检测限为 0.11 nmolL-1，灵敏度为132.66 A(nmolL-1)-1cm-2。图3 基于MoS2PBNCs修饰电极电化学检测胆固醇的原理图36 薛中华36等研制出具有类似于过氧化物酶的特性MoS2PBNCS，对3,3,5,5-四甲基联苯胺（TMB）与 H2O2 反应起到催化作用。在最佳实验条件下，胆固醇的浓度与 TMB 的还原电流在 0.3100 molL-1成良好的线性关系，检出限为 12 nmolL-1。SALAZAR 等开发了一种利用镍氧化物（NiO）修饰电极的胆固醇电化学传感器37。他们发现，在中性环境下，NiO 改性电极可以有效地探测 H2O2，将 NiO修饰电极与 ChOx 组装成胆固醇电化学生物传感器，灵敏度达到 7.8 A(mmolL-1)-1cm-2，检测线为 20 molL-1。总体上，这种检测方法借助 ChOx 氧化产物浓度来测量胆固醇，使用这种方法会存在很多干扰物质，反应时需要借助游离氧的催化作用，可能会造成实验结果不准确。基于电子介质和 ChOx 的电化学检测胆固醇是利用电子介质作为电极和 ChOx 电活性中心之间的电子传递通道，透过测量小分子电子介质的电化学信号的改变来测量胆固醇含量。HALDER 等将二茂铁作为电子介质，利用高支化多聚物基质将 ChOx和石墨烯纳米片连接制修饰电极，对胆固醇的检测限为0.5 molL-1，线性响应范围为2.525molL-1，灵敏度 380 mA(molL-1)-1cm-237。此方法可以使用的电子介质有限，需要进一步的探索。介质仍然会与血液中的干扰物质发生反应，影响准确性和效率，同时很难在电极和酶表面附近保持介质的存在。利用酶与电极表面的直接电子传递来检测胆固醇。范佳琳等将泡沫介孔硅（MCF）修饰的还原氧化石墨烯复合材料（McFrGo）作为修饰电极，MCF 的多孔给固定酶提供了很好的场所，在MCFsrGO 的辅助下，可以在固定化 ChOx 和电极之间实现有效的 DET38。碳材料由于比表面积大 （3 000 m20-1）、无毒、来源丰富、成本低廉、导电性好、绿色环保以及良好的化学稳定性等优点而被广泛应用39。另外，导电聚合物、金属纳米材料、复合材料等材料也可以实现固定化 ChOx 和电极之间实现的 DET40-46。WU47等利用分层组装（LBL）技术开发了一种胆固醇电化学传感器，它由水溶性聚乙烯亚胺还原氧化石墨烯复合材料和 ChOx 组成的。在优化条件下，所制备的电极的胆固醇浓度呈较宽的线性范围 110-59.33110-3molL-1，检测限为 0.021 molL-1。这种检测过程不受电活性物质的干扰，不受溶解氧的影响，大大减少了溶解氧与电极之间竞争再生酶的干扰效应。2.2 无酶胆固醇电化学传感器研究进展 非酶胆固醇传感器主要是借助金属纳米材料使胆固醇在电极表面直接电化学氧化。AKSHAYA22等通过包覆聚吡啶的磷酸钌纳米团簇促进胆固醇的电化学氧化来测量胆固醇，如图 4 所示。分散在聚吡咯中的聚吡咯纳米团簇促进胆固醇的电化学氧化，发生负电位转移，胆固醇的 OH 基团被氧化为 C=O 基 团。电 化 学 线 性 响 应 范 围 为 第 52 卷第 8 期 飏吕龙，等：电化学方法检测胆固醇的研究进展 1195 0.1620.0 nmol0 电-1，检测限为 5.410-9 molL-1。KHALIQ14等研究了一种基于 Cu2O-TiO2杂化纳米结构的新型安培非酶促胆固醇电化学传感器。通过钛（Ti）箔的阳极氧化反应合成了二氧化钛纳米管（TNTs），表面通过化学浴沉积（CBD）方法负载上氧化铜纳米颗粒（NPs），制备得到的样品具有较好的形貌。这种材料具有良好的电化学活性、稳定性以及较好的抗静电性等特点。在添加胆固醇后，与原始的低检测限（0.05 molL-1）和快速响应时间（3 s）相比，混合电极的灵敏度增加了 5 倍。THAKUR12等开发了一种基于聚（离子液体）-钴聚氧金属酸盐的新型电化学传感器，该新型复合材料对胆固醇的非酶电化学检测限最低为 1 fmolL-1（110-15 molL-1），响应时间为 5 s，灵敏度为 64 A(molL-1)-1cm-2。非酶基胆固醇传感器最大的优点是易于实现长期稳定的目标检测，克服了生物酶对环境温度、pH 值等因素的脆弱性，为快速电子迁移提供了优化界面，并支持高性能连续监控应用场景。图 4 胆固醇在 Ru-Pi-PPy/CFP 电极上可能的氧化还原机制示意图47 3 结 论 酶的使用受到储存和分析条件的限制，成本很高。由于这些限制，研究者们正在努力开发新的无酶胆固醇电化传感器。无酶胆固醇电化学传感器作为新一代的胆固醇传感器，比酶基胆固醇电化学传感器具有更好的性能和研究前景。目前，胆固醇直接电化学氧化的机理尚不清楚，需要进一步研究。大多数用于人体胆固醇含量检测的新型电极有待开发。随着技术的进一步发展和推广，高性能胆固醇电化学检测仪器将为高血压和心血管疾病患者带来福音。参考文献：1 IKONEN E Mechanisms https:/journals.physiologynsport:defects and human diseaseJ.Phys ev,2006，86(4):60-63 2 AHARONIAN F,AN Q,AXIKEGU,et al.Construction and on-site performance of the LHAASO WFCTA camera J.The European Physical Journal C,2021,81(7)：1041-1049.3 GRUN C H,BESSEAU 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