PbO-CeO2中空纳米球的合成用于多巴胺和尿酸的同时电化学检测

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Synthesis of PbO-CeO2 hollow nanospheres for simultaneous electrochemical detection of dopamine and uric acid

通过PbO-CeO2空心纳米球修饰的玻璃碳电极实现了多巴胺和尿酸的同步检测，具有宽线性范围（0.5-500 μM DA；1-1000 μM UA）和低检测限（0.38 μM DA；0.83 μM UA）。该纳米球采用硬模板/溶胶凝胶法合成，具有高比表面积（8.15 m2/g）和丰富活性位点，通过协同催化效应显著提升电化学性能。血清样品验证显示其具有较高的灵敏度和准确性，为临床联合检测提供了新方法。

　　

Kexin Li|Xiaoxia Yan|Wenhui Luo|Dongmei Deng|Haibo He|Yunyi Lei|Liqiang Luo

上海大学化学系，中国上海200444

摘要

多巴胺（DA）和尿酸（UA）的同时测定在神经系统和代谢性疾病的临床诊断和治疗中至关重要。本文报道了一种新型的氧化铅-氧化铈（PbO-CeO₂）中空纳米球，通过硬模板/溶胶-凝胶法制备，用作高效的电极修饰剂。这种中空结构具有8.15 m² g^?1的高比表面积和丰富的活性位点。PbO-CeO₂修饰的玻璃碳电极（PbO-CeO₂/GCE）能够特异性地显示DA和UA的两个明显且分离良好的氧化峰。制备的PbO-CeO₂/GCE对DA的线性检测范围为0.5–500 μM，对UA的线性检测范围为1–1000 μM，检测限分别为0.38 μM和0.83 μM，同时具有优异的重现性、稳定性和选择性。此外，当应用于实际血清样本时，其良好的回收率和准确性证实了其在同时监测DA和UA水平方面的巨大潜力。因此，基于该传感器的优异选择性和灵敏度，PbO-CeO₂中空纳米球成为电化学检测共存DA和UA的替代方法。

引言

多巴胺（DA）和尿酸（UA）是维持人体生理稳态的重要生物标志物。它们的浓度变化与多种病理状况密切相关，因为异常水平通常作为机体代谢紊乱的主要指标[1]。具体而言，DA作为中枢神经系统中的关键神经递质，调节情绪调节、运动协调和心血管稳定性等关键过程[2]。DA水平的异常波动与神经退行性疾病和精神疾病（尤其是帕金森病和精神分裂症）有临床关联[3]、[4]。同时，UA作为嘌呤降解的主要代谢产物，是血清和多种细胞外液的主要成分。病理学上的高UA水平被认为是高尿酸血症、痛风和各种心血管疾病的关键前兆[5]、[6]。值得注意的是，DA和UA的共存在临床诊断中经常被观察到；例如，它们的同时波动可以作为肾衰竭或神经退行性进展的联合指标。因此，在单个临床样本中同时监测这两种分析物不仅关乎分析效率，而且是实现更准确疾病分析和综合治疗评估的重要前提。

已经建立了多种分析技术，包括色谱法[7]、荧光法[8]、[9]和比色法[10]、[11]，用于精确量化DA和UA的水平。相比之下，电化学技术因其出色的检测限、近乎即时的反馈和较低的成本而成为优选方法，非常适合分析小分子生物标志物[1]、[12]、[13]。然而，由于电子转移动力学延迟以及两种分子在未经修饰的电极表面上的氧化响应难以区分，电化学传感在同时测定DA和UA方面的实际应用受到显著限制。因此，迫切需要设计和制备具有优异电催化活性和选择性的先进电极修饰材料，以解决这些重叠信号的问题[14]。

金属氧化物是一类适用于电化学检测的多功能材料，因为它们结合了坚固的结构稳定性、显著的氧空位密度和自发的氧化还原能力[15]、[16]、[17]。特别是氧化铅（PbO）纳米粒子具有独特的结构和功能特性，表现为高表面积与体积比、良好的热/化学稳定性和高效的电荷转移特性，这有助于暴露大量反应位点。此外，多价铅物种的存在及其内在的结构稳定性能够稳定反应中间体，并提供丰富的暴露反应位点，显著提高传感界面的灵敏度和长期稳定性[18]、[19]、[20]。例如，Bargavi Varatharajan等人采用生物合成方法制备了PbO/CuO/FeO纳米复合材料，用于超灵敏检测对硝基甲苯，实现了约4.5 nM的检测限（LOD）。他们的发现表明，将PbO掺入混合金属氧化物纳米结构中可以显著增强电极响应和分析灵敏度[21]。然而，通过传统方法合成的PbO纳米材料通常形态稳定性较差，结构可控性有限，导致活性位点不稳定和电荷转移效率降低，从而限制了其在电极修饰中的实际应用[4]、[22]。为了克服这些限制，构建具有高比表面积和良好暴露活性面的中空纳米结构被认为是提高催化效率和电化学性能的有效方法[23]、[24]。

另一方面，氧化铈（CeO₂）因其丰富的可逆氧空位、高氧迁移率和优异的化学稳定性而被广泛用于增强金属氧化物的催化性能[25]。虽然纯CeO₂的固有电催化活性相对较低，但它作为有效的共催化剂，可以显著改善电子传输并促进电极/电解质界面的反应[26]、[27]、[28]。虽然PbO纳米材料具有独特的功能特性，但将其与其他半导体结合越来越被认为是调节电子结构和优化复合材料的催化性能的有效策略[29]。特别是CeO₂由于其可调节的氧空位（来源于可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对）而成为构建异质结构的理想候选材料，这有助于增强电子耦合和与伙伴金属氧化物的界面相互作用。最近的研究表明，基于CeO₂的异质结构可以通过调节主要活性位的电子环境显著加速电荷转移[30]、[31]。因此，将PbO与CeO₂结合有望利用这两种氧化物的互补结构优势和协同催化效应，从而提高纳米球的电化学反应性和分析灵敏度。

在本研究中，我们报道了通过溶胶-凝胶法和硬模板策略合理设计和合成PbO-CeO₂中空纳米球的方法。通过精确调节间苯二酚-甲醛（RF）树脂模板与Pb/Ce前体的比例，获得了定义明确的RF@PbO-CeO₂核壳复合材料，经过煅烧后转化为结构稳定的中空纳米球，元素分布均匀。利用制备的PbO-CeO₂中空纳米球作为玻璃碳电极（GCE）的电极修饰剂，我们开发了一种灵敏的传感界面，能够同时定量DA和UA。得益于PbO的固有电催化活性和CeO₂基体的协同增强作用，合成的PbO-CeO₂中空纳米球表现出降低的电荷转移阻力、增强的电催化效率和优异的抗干扰能力。该传感器的分析适用性通过其对人类血清样本中DA和UA浓度的准确响应得到了进一步验证，凸显了其在先进临床诊断中的潜力。

试剂和材料

间苯二酚、乙醇、乙腈、氨水溶液（NH₃·H₂O，28%）、甲醛（HCHO，37%）、三水合醋酸铅（Pb(CH₃COO)₂·3H₂O）、六水合硝酸铈（Ce(NO₃)₃·6H₂O）、KH₂PO₄、K₂HPO₄、KCl和NaNO₃由中国国家医药集团 Corporation 提供。多巴胺（DA）、抗坏血酸（AA）、尿酸（UA）、对乙酰氨基酚（APAP）、尿素和葡萄糖（Glu）由Sigma-Aldrich（美国）提供。所有试剂均为分析级，无需进一步纯化即可使用。

PbO-CeO₂中空纳米球的结构和组成表征

PbO-CeO₂中空纳米球的合成策略如图1所示，包括依次形成RF、Pb/Ce前体的界面沉积以及随后通过煅烧去除有机核心。然后通过SEM表征RF、RF@PbO-CeO₂和PbO-CeO₂的形态。如图2 A所示，制备的RF具有高度单分散的球形形态，表面光滑，平均直径为400 nm。

结论

总结来说，我们通过硬模板/溶胶-凝胶策略成功合成了双金属氧化物PbO-CeO₂中空纳米球，其具有定义明确的中空结构和约200 nm的一致尺寸分布以及介孔壳层。PbO的主要催化活性中心与富含氧空位的CeO₂共催化剂之间的协同效应，加上独特的中空结构，显著提高了电活性表面积。

CRediT作者贡献声明

Kexin Li：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、方法学、研究、正式分析、数据管理、概念化。Xiaoxia Yan：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、方法学、概念化。Wenhui Luo：研究、正式分析。Dongmei Deng：方法学、资金获取、正式分析。Haibo He：方法学、资金获取、正式分析。Yunyi Lei：资源获取、方法学。Liqiang Luo：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：62171268和62571308）的支持。