【蘭州大學(xué)葉為春教授課題組】SERS光譜定量檢測苯二氮卓類藥物總量的研究
激光共聚焦顯微拉曼光譜儀|SERS光譜定量檢測苯二氮卓類藥物總量的研究
苯二氮卓類藥物（Benzodiazepines, BZDs）屬于中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物，具有抗焦慮、抗癲癇、抗驚厥、催眠等藥理作用具有較好的療效。由于BZDs結(jié)構(gòu)相似，療效類同，很多BZDs的治療量與中毒量、致死量相接近，過量使用易引起中毒乃至死亡。此外，許多麻醉搶劫、麻醉強(qiáng)奸案件都有涉及這類藥物。然而，由于BZDs在體內(nèi)的濃度隨代謝過程逐漸降低，很多刑事案件檢材，特別是藥物在血、尿中已含量甚微，難以被檢測。因此，建立簡單、快速、靈敏、準(zhǔn)確的檢測方法，用于快速定量篩查體液(血、尿)中痕量BZDs的總含量是十分必要的，對促進(jìn)醫(yī)療用藥及刑事偵查的發(fā)展具有積極的意義，也是很有挑戰(zhàn)的課題。
相比于傳統(tǒng)的高效液相色譜和LC-MS方法，表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)具有超高靈敏度，且可直接給出被檢分子的結(jié)構(gòu)信息，還具有快速、無損的特性，在生化樣品分析中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。實(shí)現(xiàn)SERS檢測的關(guān)鍵在于SERS基底的構(gòu)建。傳統(tǒng)貴金屬(Ag, Au)SERS基底盡管SERS活性高，但其價(jià)格昂貴，不利于商業(yè)化應(yīng)用。目前比較普遍的做法是在半導(dǎo)體氧化物(ZnO, TiO2)上負(fù)載少量貴金屬納米粒子，其增強(qiáng)機(jī)理不僅有貴金屬本身的電磁(EM)增強(qiáng)機(jī)理，還具有貴金屬與半導(dǎo)體氧化物間的電荷轉(zhuǎn)移(CT)增強(qiáng)機(jī)制，進(jìn)而增強(qiáng)SERS活性，提高檢測的靈敏度。此外，貴金屬晶面對SERS活性也有重要的影響，特別是本課題組采用置換反應(yīng)合成了Ag(111)晶面取向生長的大尺寸Ag納米片，這種Ag納米片由于晶面取向的優(yōu)勢在檢測罌粟堿時(shí)表現(xiàn)出高SERS活性和選擇性。顯然，目前的合成方法制備半導(dǎo)體氧化物-貴金屬納米復(fù)合材料雖有助于減少貴金屬用量，但也失去了晶面取向帶來高SERS活性的優(yōu)勢。因此，如何既保持貴金屬晶面取向優(yōu)勢，又實(shí)現(xiàn)與半導(dǎo)體氧化物間的CT協(xié)同增強(qiáng)機(jī)制，是本工作重點(diǎn)解決的課題。
該研究在課題組合成大尺寸Ag納米片的基礎(chǔ)上，采用化學(xué)修飾方法在Ag納米片上生長ZnO納米粒子，對其結(jié)構(gòu)、組成和形貌進(jìn)行表征。通過對ZnO納米粒子負(fù)載量的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有合適的ZnO負(fù)載量(17.5 wt%)才有SERS性能，且具有高SERS檢測穩(wěn)定性和均一性(圖1)?；自诳諝夥諊h(huán)境中放置30天，其SERS強(qiáng)度仍保持初始強(qiáng)度的93％，優(yōu)于純Ag納米片的81％。如果在Ag納米片表面修飾非半導(dǎo)體氧化物(SiO2)時(shí)，其SERS信號強(qiáng)度隨SiO2負(fù)載量單調(diào)性下降，這充分說明Ag與ZnO間CT協(xié)同機(jī)制的存在。除一系列實(shí)驗(yàn)(XPS,光電流測試和CT增強(qiáng)程度PCT的計(jì)算等)分析外，還應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)模擬(MD)計(jì)算分析了作用在該基底上的探針分子鍵能變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ZnO 修飾密度為0.106 NPs /nm2時(shí)基底與探針分子的鍵能最大(-19.1 eV)，為分析Ag與ZnO間的CT增強(qiáng)機(jī)制提供理論依據(jù) (圖2)。
圖1：Ag納米片表面負(fù)載ZnO納米粒子的表征。
圖2：基于Ag-ZnO-探針分子間CT增強(qiáng)機(jī)理的研究
在上述基礎(chǔ)上，優(yōu)化后的Ag NS/ZnO基底應(yīng)用于艾司唑侖（EST，為傳統(tǒng)BZDs藥物）的靈敏檢測，線性范圍為10-9至10-3 M，檢出限低至0.5 nM, 優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的HPLC、電化學(xué)及ELISA等經(jīng)典方法的結(jié)果；表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性，即使分別加入100倍以上濃度的無機(jī)鹽、有機(jī)物、氨基酸和其他藥物等，都沒產(chǎn)生明顯的干擾。通過在人體尿液、牛血清蛋白中加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，獲得滿意的回收率和RSD值(≤3.71％)，表明該基底在EST的檢測應(yīng)用中具有很好的可靠性 (圖3)。
圖3：SERS檢測單一藥物EST含量的線性圖及其抗干擾性。
進(jìn)一步應(yīng)用于5種BZDs藥物總量的快速檢測，包括EST、奧沙西泮(OXA)、阿普唑侖(ALP)、三唑侖(TRI)和勞拉西泮(LOR)。由于此5種為同系物，有相同的骨架，擁有共同的特征峰，位于1163 cm-1，且濃度相同，對應(yīng)的峰強(qiáng)度也不變。激光共聚焦拉曼光譜儀為利用EST的線性工作曲線來定量檢測BZDs總含量提供了可行之處 (圖4)。在此，準(zhǔn)備了12個(gè)混合樣品，包括兩種、三種、四種或五種BZDs藥物的混合，也有濃度差異。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，BZDs藥物的總濃度可以從EST的線性工作曲線直接獲得，測試結(jié)果與總加標(biāo)濃度具有很好的吻合度。將BZDs混合樣注射到小鼠體內(nèi)，隨小鼠代謝采集不同時(shí)間的小鼠血清，發(fā)現(xiàn)血清中BZDs藥物總量隨小鼠代謝過程在開始階段迅速增加，12 h達(dá)到最大值，此后逐漸降低。這一變化趨勢與LC-MS/MS檢測結(jié)果一致，說明該基底及其SERS檢測方法對于定量檢測BZDs藥物是可靠且高效的。
圖4：快速檢測BZDs總含量。
綜上，該工作開發(fā)了一種SERS定量分析方法，僅利用一種BZD藥物作為標(biāo)準(zhǔn)品即可定量測定法醫(yī)和生物醫(yī)學(xué)環(huán)境中BZDs藥物總量，從而可針對族類藥物總量快速、靈敏的篩查。這是通過在大尺寸(111)晶面Ag納米片上修飾少量ZnO為SERS活性基底來實(shí)現(xiàn)的，其既結(jié)合Ag(111)晶面取向優(yōu)勢又實(shí)現(xiàn)了CT增強(qiáng)效應(yīng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的SERS活性和穩(wěn)定性。該基底成功應(yīng)用于血清和尿樣中EST濃度的高靈敏度和高選擇性SERS檢測。并進(jìn)一步應(yīng)用于5種BZDs藥物總濃度的檢測，特別是成功監(jiān)測了隨小鼠代謝過程中小鼠血清中BZDs藥物總量的變化趨勢。該研究工作瞄準(zhǔn)族類藥物的靶向篩查模型，可作為急診診斷和法醫(yī)鑒定極具價(jià)值的分析工具。
該研究工作發(fā)表于Anal. Chem. 2021, 93, 3403-3410；入選Anal. Chem.第93卷第7期封面文章。
文章信息
這一成果以“Group-Targeting SERS Screening of Total Benzodiazepines Based on Large-Size (111) Faceted Silver Nanosheets Decorated with Zinc Oxide Nanoparticles”為題發(fā)表在Analytical chemistry上。蘭州大學(xué)葉為春教授為論文通訊作者。
文章鏈接https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.0c04399
本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司 “Finder Vista”激光顯微共聚焦拉曼光譜儀系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。
Finder Vista”激光顯微共聚焦拉曼光譜儀系統(tǒng)
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