提高电化学传感器检测谷胱甘肽的灵敏度和选择性研究

文、 | 鹏老

电化学方法克服了这些问题，因此引起了人们对谷胱甘肽检测的关注和兴趣。电化学方法具有成本低、操作方便、反应快、灵敏度高等优点。

基于传统电极的传感器的检测极限非常高。各种化学修饰电极依赖于硼掺杂金刚石、聚合物、金属氧化物、层状双氢氧化物和碳已经被开发来克服这些缺点。

这些电极具有更高的响应性，从而降低了谷胱甘肽氧化所需的过电位，并增加了电子转移的速率。

谷胱甘肽电化学检测的新颖性在于人工智能(AI)和物联网(IoT)等最新进展领域。

谷胱甘肽是一种重要的分子，在糖尿病、帕金森病和癌症等多种疾病中具有重要意义，为了提高电化学传感器检测谷胱甘肽的灵敏度和选择性，已经进行了几项研究。

人们正在研究高性能纳米系统，以创建可用于即时护理(POC)应用的新型传感技术，用于快速疾病诊断、数据收集和管理。

用电化学方法检测谷胱甘肽

纳米技术也被用于开发用于谷胱甘肽检测的电化学传感器，从而提高了传感性能。

电分析方法最适合测量谷胱甘肽，因为谷胱甘肽的氧化还原活性对氧化应激的细胞调节至关重要。

采用循环伏安法对所推荐电极的电催化性能进行了表征，循环伏安法是研究谷胱甘肽电化学行为的首选方法。

CV为确定最佳操作GSH参数创造了理想条件，CV可以快速揭示氧化还原过程热力学、非均相系统中的电子转移动力学以及相关吸附过程或化学反应的大量信息。

SWV和DPV是一种快速脉冲、灵敏、有效的伏安技术，具有检出限低、峰值分辨率高、对背景电流判别能力强等优点。

DPV测量的峰形响应提高了具有可比氧化还原电位的两种或多种物质之间的分辨率。

SWV相对于DPV的优点是它可以在几秒钟内记录完整的伏安图，而DPV需要2-3分钟。计时电流法用于计算工作电极的活性表面积和扩散系数。

该技术依赖于工作电极电位在固定时间间隔内的重复脉冲。

谷胱甘肽的电化学检测具有多种技术优势，包括高选择性和高灵敏度、小型化以及与有色和粘性样品的相容性。

该技术也显示出POC传感应用的潜力，并且可以受益于使用纳米技术来增强其传感性能。

谷胱甘肽检测的传感机制

纳米结构材料由于具有高表面积、增强的电催化活性和机械强度等突出特性而受到越来越多的关注，并一直被用作开发高灵敏度电化学传感器的有效电子介质。

图2为基于纳米材料/介质改性工作电极的谷胱甘肽传感机理。

1、用于谷胱甘肽传感的电极

文献报道了用各种方法在不同材料修饰的玻碳电极上检测谷胱甘肽。表1显示了用于检测谷胱甘肽的改性玻碳电极列表。

Wang等报道了一种用于检测还原性l——谷胱甘肽的酞菁四磺酸钴插层双氢氧化锌——铝层状修饰电极。

研究表明，利用离子交换技术将CoTsPc插入到ZnAl-LDH的层间廊中生成复合材料。

然后采用简单的铸造技术制备修饰电极，其中壳聚糖修饰电极改善了附着力。

微观结构分析证实，ZnAl-CoTsPc-LDH由层状结构组成，层间距离约为2.38 nm。

图3 (a)显示了GSH与GC电极表面和ZnAl-CoTsPc-LDH之间的电子转移。

结果表明，铜(II)的氧化还原活性中心经过电氧化成为铜，之后铜通过谷胱甘肽的氧化得到恢复。

研究还报道了CoTsPc/ ZnAl-LDH /Chit/GC和CoTsPc/Chit/GC电极，并利用循环伏安图观察了所制备电极的电催化性能。

通过对CoTsPc/Chit/GC和CoTsPc/ ZnAl-LDH /Chit/GC电极与ZnAl-CoTsPc-LDH /Chit/GC电极的对比研究发现，改性电极的电催化活性显著提高。

GSH氧化过电位降低，电催化氧化电流增加，如图3(b)所示。

不同电极在60 min内对0.01 mM GSH的电流响应。在整个实验过程中，修饰电极的响应是稳定的，这表明在层状双氢氧化物(LDH)宿主中间层中插入CoTsPc可以有效地提高电催化的稳定性，如图3(c)所示。

因此，本研究总结出线性范围宽、检测限低、灵敏度高的传感性能。

2、丝网印刷电极

最初，循环伏安法用于探索这种微带copc – spce，结果表明响应与扫描速率无关，表明微带行为。

此外，计时安培分析表明，在0-25 mM的浓度范围内，制备的电极表现出稳态行为。

在50 μM-8 mM的谷胱甘肽浓度的大线性范围内，电极的灵敏度为0.10 *103 μM。改良GCE检测GSH的方法由Compton’s研究组报道。

用碳纳米管修饰的丝网印刷电极被开发用于GSH检测。研究表明，这种电分析方法依赖于NaBH4存在时氧化谷胱甘肽的还原。

与其他还原剂相比，与NaBH4的反应速度很快。采用循环伏安法对CNT-SPE电极进行测试，如图4 (a)所示，以确保NaBH4处理不会造成干扰。

图4 (b)显示，nabh4处理的缓冲液不产生可见的氧化还原信号，表明还原剂不干扰分析窗口。

3、碳糊电极(CPE)

碳糊电极(CPE)是另一种具有广泛应用前景的材料，包括电化学传感器制造。

碳糊电极适应性强，制作、修改和操作简单。

石墨粉经常与有机粘合剂混合制成碳糊电极。为了制备具有良好电化学特性的高性价比谷胱甘肽传感器，采用了各种纳米材料和生物材料修饰的CPE。

碳糊电极GSH传感器如表3所示。Keyvanfard等人利用含有3,4二羟基肉桂酸的改性多壁碳纳米管膏状电极，开发了一种灵敏、选择性的电化学谷胱甘肽传感器。

如图5 (a)所示，所开发的MWCNTPE电极对谷胱甘肽氧化具有很高的电催化活性。

在理想条件下，电催化峰值电流与GSH浓度在0.5 ~ 400.0 mol/L范围内呈线性关系，检测限为0.1 mol/L GSH。

采用循环伏安法考察了MWCNTPE在3,4- dhca存在下的稳定性和重复性。

在实验室室温下，一周后发育的电极保留了96%的初始值，35天后保留了93%。这些发现表明MWCNTPE具有很强的稳定性和良好的重复性。

MWCNTs侧壁如图5(b和c)所示。使用循环伏安法研究了NHPDA/FePt/CNTs/CPE在缓冲溶液中的电催化行为，如图5(d)所示。

峰值电流与谷胱甘肽浓度呈线性关系，检测限为0.1 mmol/L。用SWV法测定谷胱甘肽，连续7次测定的RSD %为1.5%，显示了修饰电极的稳定性和重复性。

电极信号在两周后保持了初始反应的95%，在45天后保持了初始反应的90%，表明电极的稳定性。

这些结果表明，所研制的电极具有可靠的重复性和稳定性。

Zorica等采用本体改性法制备了三氧化二锑Sb2O3改性CPE，用于同时测定GSH和GSSG。

图5(f)和图5(g)分别记录了不同浓度GSH和GSSG对SWV的响应，对比研究表明，一个分子的峰值电流和峰值电位几乎不受另一个分子浓度变化的影响，导致GSH和GSSG在Sb2O3-CPE上独立电氧化，如图5(h)所示。

使用Karimi-Maleh制备的8,9-二羟基-7-甲基- 12h -苯并噻唑喹唑啉-12- 1 和碳糊电极修饰的ZnO/CNTs纳米复合材料。

合成的ZnO/CNT纳米粉体的XRD和TEM(图5(i)和(j))清楚地证明了其存在ZnO纳米粒子的衍射峰大约在26处。

合成的氧化锌纳米颗粒的平均直径约为25.0 nm。

在没有和存在谷胱甘肽的情况下，循环伏安(CV)反应被用来评估所开发电极的电催化活性，结果如图5(k)所示。

在没有GSH的情况下，可以检测到修饰电极的一对明确的氧化还原峰(图5(k)，曲线A)。

随着GSH的加入，阳极峰电流显着增加，而在反向扫描中没有看到阴极电流(图5(k)，曲线c)。这种行为与强大的电催化效应一致。

4、氧化铟锡(ITO)电极

氧化铟锡电极具有工作电位窗口宽、电化学背景响应小、电导率高、成本低、易于表面功能化、物理和电化学性能稳定等特点，被广泛应用于电分析领域。

几项研究表明，与金、银和铂等其他传统电极相比，ITO电极的成本较低，因此被频繁使用(见表4)。但也存在铟成本上升、生产过程中需要高温等缺点。Wang等采用离子注入和退火工艺制备了一种新的镍基氧化铟锡电极。

采用扫描电镜和原子力显微镜对Ni/ITO、退火Ni/ITO和裸ITO电极进行了表征。

结果表明，纳米颗粒可以成功地固定在Ni/ITO电极上，并且退火可以帮助从ITO层内部产生额外的纳米颗粒。

给出了Ni/ITO、退火-Ni/ITO、裸ITO的攻丝模式图进一步，循环伏安法用于研究图6 (b)所示退火Ni/ITO电极上谷胱甘肽的电催化氧化。

研究表明，在ITO和Ni/ITO电极上都可以看到谷胱甘肽的氧化峰。

挑战与未来展望

第五代传感是指发展先进的传感器技术，将多种传感方式结合起来，达到更高的灵敏度、特异性和选择性。

这些传感器通常集成各种组件，如纳米材料，生物分子和微流体系统，能够快速准确地检测复杂样品中的目标分析物。

将谷胱甘肽的电化学检测与第五代传感技术相结合，通过对血液和尿液等生物液体中的谷胱甘肽进行高灵敏度和特异性检测，有可能支持临床需求。

这种传感器可用于疾病的早期检测、治疗干预的监测和个性化医疗[图7]。

实验结论

本文综述了谷胱甘肽电化学传感器的研究进展。影响谷胱甘肽传感器电化学响应的最重要因素是电极材料。

对于谷胱甘肽的电分析，工作电极中使用了许多电极材料。

在过去的几十年里，由于玻璃碳和碳糊电极等碳基电极具有良好的化学和物理性质，已被应用于谷胱甘肽的检测。

纳米结构材料由于具有吸附谷胱甘肽的高表面积和去除谷胱甘肽的显著催化活性，引起了研究人员对设计和开发电化学谷胱甘肽传感器的兴趣。

人们对不同的纳米复合材料越来越感兴趣，这些纳米复合材料可以用来提高谷胱甘肽的检测灵敏度。

为了提高基于一维纳米材料的电化学谷胱甘肽传感器的灵敏度，应更多地关注一维纳米材料及其复合材料的功能化和合成，使其具有可接受的电化学性能。

基于酶的电化学传感器代表了一种渐进的替代方案，以实现选择性增强的化学反应。

来源：汤团说史