抗病毒药物电化学检测研究述略

黄 菲 周 慧 毛云飞 沈 明 金党琴 钱 琛

(1.扬州工业职业技术学院 江苏 扬州：225127；
2.扬州大学 江苏 扬州：225002)

抗病毒药物是一类能抑制病毒繁殖、增强宿主免疫系统抵御病毒侵袭的能力、修复被破坏的机体组织及缓和病情的药物。在应对病毒感染及传染病防治方面发挥了重要作用，具有广泛的临床价值[1]。但是，此类药物在使用过程中，副作用和耐药性同样显著，其剂量(或纯度)需严格控制，故相关检测研究一直备受关注。与光谱法、色谱法、质谱法、电泳法等主流分析手段相比，电化学方法简单、灵敏、快速，近年来在抗病毒药物检测领域的作用日益显著，渐有一席之地。本文尝试总结该领域最近十年的研究现状及特点，提出未来可能的发展方向，以期能为我国的制药及医疗行业提供些许有益的参考。

根据所拮抗的对象，此类药物一般可分为广谱抗病毒药、抗流感病毒药、抗疱疹病毒药、抗肝炎病毒药和抗艾滋病病毒药[1]。由于抗病毒药物数量众多，面面俱到几无可能，亦无必要。因此，本文以国家医保局、人社部于2021年底颁布的最新《国家基本医疗保险、工伤保险和生育保险药品目录》为依据，重点探讨一些我国当前临床一线使用及市面主要流通的常见抗病毒药，如此也更具现实意义。

1.1 广谱抗病毒药

这类药物选择性低，能够抑制多种病毒，应用范围广。代表性药物是利巴韦林(Ribavirin，RBV)[1]。

1.2 抗流感病毒药

此类药物主要是神经氨酸酶抑制剂，能选择性抑制呼吸道病毒表面神经氨酸酶的活性，阻止子代病毒颗粒在人体细胞的复制与扩散，从而治疗流感。代表性药物是奥司他韦(Oseltamivir，OTV)[1]。

Hamza等分别以OTV-四苯基硼酸盐配合物、OTV-硅钨酸盐配合物、OTV-磷钼酸盐配合物和OTV-磷钨酸盐配合物为电活性物质，构建了4种高选择性的聚氯乙烯(PVC)膜电极。上述电极对OTV电位呈现能斯特响应。测定OTV时，浓度线性范围依次为1.5×10-5～1.0×10-2M、2.0×10-5～1.0×10-2M、2.5×10-5～1.0×10-2M和3.5×10-5～1.0×10-2M，检测限分别为1.5×10-5M、2.0×10-5M、2.5×10-5M和3.5×10-5M。响应时间均为30 s，中间两种电极使用寿命为20天，其余两种则为25天。4种电极皆可用于片剂分析，所得结果的准确度堪比传统的高效液相色谱法(HPLC)[4]。类似地，Jebali等将含有以OTV-磷钼酸盐配合物和OTV-四苯基硼酸盐配合物为电活性物质的PVC膜涂覆在铂丝电极表面。两种电极均对OTV电位呈现能斯特响应。测定时，浓度线性范围分别为5.0×10-5～5.0×10-2M和1.0×10-5～1.0×10-2M，检测限依次为4.37×10-5M和9.31×10-6M，响应时间为15和10秒，使用寿命均为4周，都能用于胶囊剂分析，所得结果与毛细管电泳法(CE)相吻合[5]。Avramovivic等以金电极为工作电极，基于循环伏安法(CV)建立了碱性介质中OTV的定性分析方法，可用于胶囊剂分析[6]。

1.3 抗疱疹病毒药

此类药物主要是DNA多聚酶抑制剂，能够抑制病毒DNA多聚酶，阻断病毒DNA的合成，从而起到抗病毒效果。代表性药物是阿昔洛韦(Acyclovir，ACV)、伐昔洛韦(Valacyclovir，VCV)、泛昔洛韦(Famciclovir，FCV)和更昔洛韦(Ganciclovir，GCV)[1]。Wei等曾在文献[7]中对ACV的电化学检测研究进展进行过综述，这里不再重复，仅探讨后面三种药物[7]。

Pinar等采用掺B金刚石电极，通过CV和线性扫描伏安法(LSV)研究了VCV在不同介质中的电化学行为。发现药物分子发生不可逆氧化，电极过程受扩散控制。通过示差脉冲伏安法(DPV)进行测定，在磷酸盐缓冲溶液(pH=3.0)中，检测限为1.0×10-7M；
在含有阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的H2SO4溶液中，检测限为2.1×10-8M，SDS有增敏作用。电极可用于片剂和人体尿样分析[8]。Tarinc等同样采用掺B金刚石电极研究了VCV在弱酸性磷酸盐缓冲溶液中的电化学行为，结果与文献[8]类似。分别建立了以DPV和方波伏安法(SWV)为基础的定量分析方法， 成功用于药样、人体尿样和血清样分析[9]。Gohary等以甲基丙烯酸和4-乙烯基吡啶为功能单体，合成了一种对VCV呈高选择性的分子印迹膜(MIP)，用以修饰碳糊电极。进行伏安测定，检测限为4.55×10-7M，可用于药样分析[10]。Saleh等通过简单的电沉积方式将多孔Cu微粒固定在铅笔芯石墨电极表面，得到一种一次性使用的修饰电极。VCV与溶液中的自由Cu2+形成配合物后，可显著提高Cu2+的还原峰电流，从而间接测定VCV。整个电极过程不可逆，2e-参与反应。此外，连续循环扫描后，峰电流逐渐降低，说明配合物会吸附到电极表面，减少活性位点。通过吸附方波溶出伏安法(AdSWV)进行测定，检测限为1.78×10-10M，可用于片剂分析[11]。Kummari等在碳糊电极表面先通过电聚合方式形成了一层导电性的聚-(3-氨基-5-羟基吡唑)膜，然后在恒电位下继续电沉积一层均相分散的Au纳米颗粒(NPs)，得到复合物修饰电极。借助扫描电镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDX)、X射线衍射(XRD)和紫外-可见光谱(UV)对其表面形貌进行表征。通过电化学阻抗(EIS)、CV、DPV等考察了电极的传感性能。测定VCV时，检测限为1.9 nM，分析时间仅为15秒，可用于药样、人体尿样和血清样分析。如在模拟流动池中进行测定，检测限为2.5 nM，分析时间仅为5 s[12]。Shah等直接采用单壁碳纳米管(SWCNT)修饰玻碳电极测定VCV，检测限为1.80×10-9M，可用于药样和人体血浆样分析[13]。Adhikari等通过CV在玻碳电极表面同时电化学还原及沉积氧化石墨烯(GO)，得到一种二维结构的石墨烯(GR)纳米片。修饰电极具有良好的催化性能，可促进对乙酰氨基酚和VCV的电化学氧化，并能同时测定，检测限分别为4.65 nM和1.34 nM，可用于人体血清样分析[14]。

Rezk等分别以FCV-磷钨酸盐和FCV-磷钼酸盐配合物为电活性物质，制备了两种离子选择电极。两者都对FCV电位呈现能斯特响应，浓度线性范围均为1.0×10-5～1.0×10-2M。用于批量进样和流动注射分析系统，可检测片剂、人体尿样和血浆样，所得结果与HPLC法一致[15]。Gohary等根据理论计算及优化的结果合成了一种对FCV呈高选择性、强结合力的MIP，用以修饰碳糊电极。进行伏安测定，检测限为7.5×10-7M，可用于药样分析[16]。Yari等制备了一种“Au NPs +ZnS NPs”复合物修饰玻碳电极，借助SEM、EDX和XRD进行表征。发现GCV在电极表面发生不可逆氧化，过程受扩散控制，H+和e-同时参与反应。采用SWV进行测定，检测限为0.01 μM，可用于注射剂、人体尿样和血清样分析[17]。Gholivand等先在玻碳电极表面通过滴涂方式固定了一层羧基化的多壁碳纳米管(MWCNT)，然后再以2，2′-二硫代联苯胺为功能单体，借助电聚合手段合成了一种对GCV呈高选择性的MIP，同时通过Au-S键引入能加速电荷转移的Au NPs，采用SEM、CV和EIS对复合物进行表征。通过DPV进行测定，GCV浓度线性范围为0.05～50 μM及50～500 μM，跨越4个数量级，检测限为0.0015 μM，可用于人体血清样分析[18]。Paimard等在玻碳电极表面依次固定羧基化的MWCNT和Fe3O4NPs，得到修饰电极。通过SWV测定GCV，浓度线性范围为80～53000 nM，检测限为20 nM，可用于人体尿样和血清样分析。此外，利用该电极研究了GCV与小牛胸腺DNA之间的相互作用，推断出两者是插入结合的模式，DNA的存在导致GCV峰电流降低，利用此现象可间接测定DNA[19]。

1.4 抗肝炎病毒药

此类药物主要是核苷(酸)类似物，通过抑制病毒DNA多聚酶和逆转录酶的活性，同时竞争性抑制核苷酸进入病毒DNA链，终止病毒DNA链的延长，干扰病毒DNA的合成，从而发挥抗病毒作用。代表性药物有恩替卡韦(Entecavir，ETV)、替诺福韦(Tenofovir，TFV)、阿德福韦酯(Adefovir Dipivoxil，AFV)等[1]。

Asran等将磁性NiFe2O4NPs、离子液体和碳糊混合在一起制备复合物修饰电极，离子液体作为良好的媒介体，可以拓宽检测电位窗口。采用SWV测定ETV，浓度线性范围为0.80×10-8～2.20×10-6M及2.20×10-6～1.55×10-4M，跨越4个数量级，可用于药样、人体尿样及血浆样分析[20]。Ozcelikay等将苯扎氯氨衍生化的Ag NPs固定到玻碳电极表面，发现TFV在修饰电极上发生电化学氧化，过程受“扩散+吸附”混合控制。采用AdSWV进行测定，检测限为2.39×10-9M，可用于药样分析[21]。Festinger等对TFV在GO修饰玻碳电极和Ag汞齐电极上的电化学行为进行了比较研究。发现TFV在前者表面发生不可逆氧化，电极过程受“扩散+吸附”混合控制，“2H++2e-”参与反应；
而在后者表面则发生不可逆还原，电极过程受吸附控制，是一个催化析氢反应。采用SWV进行测定，前者的检测限为4.86×10-8M，可用于药样和人体尿样分析，所得结果与HPLC法无显著性差异；
后者则是1.35×10-7M，但无法获得实际应用[22]。Dorraji等先在玻碳电极表面固定了一层“MWCNT+C3N4”复合物，然后以AFV为模板分子，邻苯二胺为功能单体，通过电聚合方式合成了一种对AFV呈高选择性的MIP，形成最终的修饰电极。采用DPV进行测定，以[Fe(CN)6]3-/4-为电化学探针，其峰电流的变化值与AFV浓度在0.1～9.9 μM范围内呈线性关系，AFV的检测限为0.05 μM，可用于药样、人体尿样和血清样分析[23]。

1.5 抗艾滋病病毒药

此类药物主要是逆转录酶抑制剂或蛋白酶抑制剂。前者通过抑制病毒逆转录酶的活性来阻止病毒复制，从而治疗艾滋病。后者则与病毒蛋白酶催化基因结合抑制酶活性，导致蛋白前体不能裂解及形成成熟病毒体，减慢病毒在细胞内的蔓延，防止新一轮感染的发生，延迟艾滋病的发展。代表性药物有拉米夫定(Lamivudine，LVD)、齐多夫定(Zidovudine，ZVD)、恩曲他滨(Emtricitabine，ETB)、奈韦拉平(Nevirapine，NVP)、茚地那韦(Indinavir，IDV)等[1]。

Chihava等通过一锅法合成了一种Ni-CoS修饰的石墨烯(GR) QDs复合物，通过滴涂方式固定到玻碳电极表面，干燥后得到修饰电极，借助UV、TEM、XRD、EIS、CV等手段进行表征。发现LVD和TFV均可在电极上发生不可逆氧化，过程受“扩散+吸附”混合控制，“2H++2e-”参与反应。计算出LVD和TFV在电极上的吸附常数K分别为9×10-2M-1和4.6×10-2M-1，吉布斯自由能(ΔG)依次为-54.6 kJ和-69.8 kJ，说明吸附是自发的，是一个一级动力学过程。利用375 mV的电位差通过DPV能实现两者的同时测定，检测限分别为2.42×10-8mM和1.21×10-8mM，可用于片剂和人体尿样分析[24]。Xhakaza等通过滴涂方式依次在玻碳电极表面固定“MWCNT+ZnO NPs”复合物及“1-乙基-3-甲基咪唑-1，1，2，2-四氟乙烷磺酸盐离子液体”，干燥后得到修饰电极，借助TEM、UV、XRD、红外反射光谱(FT-IR)等手段进行表征。电极对ZVD的电化学还原具有很强的催化作用，采用DPV进行测定，检测限为0.0416 μM，可用于药样分析[25]。Hasanijani等先将铅笔芯石墨电极浸入GO-壳聚糖溶液中形成底层膜，再通过电沉积方式依次固定Au-Pt双金属NPs和DNA，得到复合物修饰电极。采用DPV测定ZVD，浓度线性范围为0.01 pM～10 nM，跨越6个数量级，检测限达到惊人的0.003 pM，电极具有极高的灵敏度和选择性，可用于人体血清样分析[26]。Mulik等发现ETB在金电极上发生不可逆氧化，过程受扩散控制，发生单电子转移，其氧化产物的抗菌活性显著增强。通过LSV进行测定，检测限为0.7069 μM[27]。

Jain等发现MWCNT修饰玻碳电极能够催化NVP的电化学氧化，在含有SDS的增溶体系中，通过SWV进行测定，检测限为38.45 μg/mL[28]。Gholivand等在石墨电极表面先后固定MWCNT、聚亚甲蓝膜和Au NPs，所得复合物具有导电性。NVP在修饰电极上发生电化学氧化，采用示差脉冲阳极溶出伏安法(DPASV)进行测定，检测限为53 nM，可用于药样和人体血清样分析[29]。Ahmadi等合成了一种巯基十一烷基肼硫酰胺包覆的Ag NPs，其和MWCNT形成复合物固定到玻碳电极表面。所得修饰电极能够催化NVP的电化学氧化，通过安培法测定NVP，检测限为14 nM，可用于片剂和人体血清样分析[30]。Okumu等合成了一种Ag-Pt双金属NPs，通过滴涂方式将其和MWCNT形成的复合物固定到玻碳电极表面，借助CV、EIS、TEM、XRD、EDX等进行表征。NPs由于自身的多孔性扩大了电极表面积，而MWCNT又具有优良的导电性，故修饰电极催化性能优异。NVP在电极上发生不可逆氧化，过程受扩散控制，求得扩散系数D为5.20×10-10cm2s-1，电子转移系数α为0.67，反应速率常数ks为0.884 s-1，“2H++2e-”参与反应。通过DPV进行测定，检测限为0.021 μM，可用于片剂、牛奶样和人体尿样分析[31]。Apath等通过溶胶-凝胶及混合超声的方法合成了一种修饰GR纳米带的TiO2NPs，通过滴涂方式固定到玻碳电极表面，借助CV、EIS、FT-IR、SEM等进行表征。NVP在电极上发生不可逆电化学氧化，过程受吸附控制，“2H++2e-”参与反应。两种组分之间的协同作用加速了电子转移，显著降低了NVP的过电位，降幅达352 mV。采用DPV进行测定，检测限为0.043 μM，可用于片剂分析[32]。Tiwari等合成了一种二维结构的纳米复合物，组分为以rGO为基的Pd NPs及MoS2QDs。将复合物固定到玻碳电极表面，所得修饰电极催化活性强。测定NVP时，检测限为50 nM，可用于复杂样品分析[33]。Pour等在rGO修饰玻碳电极表面电聚合吡咯，形成对NVP呈高选择性的MIP。采用此电极测定NVP，浓度线性范围为0.005～400 μM，跨越4个数量级，检测限为2 nM，可用于药样和人体血清样分析[34]。Foroughi等合成了一种具有三叶草形状的Eu3+/Cu2O纳米结构，借助EDX、XRD、SEM、CV、EIS等进行表征。将其固定到玻碳电极表面，大幅增加了电极的催化活性。通过DPV测定NVP，浓度线性范围为0.01～750 μM，跨越4个数量级，检测限为3.6 nM，响应时间约为3.5 min，可用于实际样品分析[35]。Teradal等制备了一种Bi2O3NPs，用以修饰碳糊电极。电极能够催化NVP的电化学氧化，可用于片剂和生物样品分析[36]。Massumi等合成了一种对NVP呈高选择性的MIP，将其和石墨粉、石蜡油混合以制备碳糊电极。电极再生性好、稳定性高，不存在基质效应。通过SWV测定NVP，浓度线性范围为0.05～300 μM，检测限为10 nM，可用于药样和人体血清样分析[37]。

Mehmandoust等制备了一种“ZnO纳米棒+MoS2纳米片”复合物修饰丝网印刷电极，组分之间的协同效应，增加了电极活性面积，加速了电子转移。通过DPV测定IDV，浓度线性范围为0.01～0.66 μM及0.66～7.88 μM，跨越4个数量级，检测限为0.007 μM，电极能够重复利用，可用于实际样品分析[38]。Feleni等在L-半胱氨酸自组装膜修饰金电极表面固定了一层3-巯基丙酸包覆的SnSe QDs，紧接着通过1-乙基-3(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺，借助交联反应固定细胞色素P450-3A4(CYP3A4)，形成最终的生物传感器。可利用其在-380 mV的还原峰来测定IDV，检测限为3.22 pg/mL，响应时间为11秒[39]。类似地，该小组同样在半胱胺自组装膜修饰金电极上固定具有核壳结构的、3-巯基丙酸包覆的PdTe QDs以及血红素硫代细胞色素CYP3A4，形成最终的生物传感器。实验结果表明：在0.26 V适合检测IDV代谢产物。测定时，IDV检测限为0.023×10-7mg/L，可用于即时检验[40]。Ross等先在恒电位下于玻碳电极表面电聚合了一层吡咯，然后进行过氧化处理。紧接着在动电位下电沉积Au NPs，再通过滴涂方式将CYP3A4固定在复合物里，经过一系列后续处理后得到生物传感器。在测试液中，以1,3,6,8,10,13,16,19-八氮杂二环[6.6.6]二十烷钴三氯作为电子媒介体，电极产生一对可逆氧化还原峰，其电子转移过程受扩散控制，式电位为-624±5 mV，能够催化O2的电化学还原。可利用加入IDV能提高O2还原峰峰电流这一现象来间接测定IDV，检测限为0.001 μM，有望用于即时检验和实际样品分析[41]。

最近十年，抗病毒药物电化学检测研究取得了较大进展。总体来看，本领域呈现四个“不均衡”的特点。

一是检测对象相关成果的不均衡性。一方面，从大面来看，有关广谱抗病毒药和抗流感病毒药的成果数量明显少于其它三类。这估计和两个因素相关：一是研发难度。广谱抗病毒药由于用途多样，对病毒无特异性识别能力，较难开发，导致种类不多。二是重视程度。普通流感具有明显的季节性，病程短，病毒类型少；
且主要针对呼吸系统，相对容易治愈，对新药的需求不是那么迫切。

但疱疹、肝炎和艾滋病这些疾病对人体免疫系统的破坏性极大，属于难以根治且易复发的慢性病；
病毒往往具有多个亚型，毒性强，耐药问题突出，因而相关治疗药物更引人关注。另一方面，具体到特定小类而言，成果则主要集中在少数几种药物上，这与药物的分子结构有关。以抗疱疹病毒药为例，VCV、FCV和GCV都是由ACV的分子结构改造而来，衍生物的有机碳链更长、致钝基团更多、更复杂、体积更大、位阻效应也更显著，因而电子传递能力明显变弱，电化学活性大幅下降，检测难度加大，故有关ACV的研究报道相对最多。

二是检测工具类型的不均衡性。本领域内，纳米材料尤其是纳米复合物修饰电极频繁使用，而普通的化学修饰电极、离子选择电极和裸固体电极应用不多。结构形态多样的CNTs、GR、NPs、QDs等纳米材料广泛应用，由于自身特殊的电子效应、吸附效应和催化效应，可以显著提高检测灵敏度。而纳米复合物在保留上述特性的前提下，集中整合各组分的性能优势，通过协同作用使电极的检测效能最大化。以文献[30]为例，其电极修饰采用的“Ag NPs +MWCNT”复合物，前者具有很强的催化活性，后者则提供了强大的导电能力及吸附性，两者有机结合，大幅提高了响应信号。再以文献[25]所采用的“MWCNT+ ZnO NPs+离子液体”复合物为例，MWCNT具有优异的导电性，ZnO NPs具有较强的吸附性，而离子液体除自身具有一定的导电性外，利用其疏水性可以选择性地富集药物分子。这几种作用相互叠加，实现痕量检测自然水到渠成。

三是检测方式的不均衡性。一方面，简单直观的电流型或伏安型响应模式占主导地位，以电位、容抗、阻抗为主要参数的间接测定模式则为数不多。另一方面，单纯使用电化学检测的实例比比皆是，而联用技术则寥寥无几。这是因为大多数抗病毒药物都具有一定的电化学活性，工作电极经过适当的表面处理后，完全可以直接检测，无需进行繁琐的间接或辅助测定。

四是检测效果的不均衡性。一方面，绝大多数文献所提出的分析方法都能用于复杂的人体体液样品，只有少数仅针对简单的药样。另一方面，单方制剂检测占据主流，而复方样品测定则鲜有提及。这不仅是因为不同药物的电化学活性差异较大，更说明传感器和分析体系的构建方法会影响检测效能。

作为应对病毒感染及传染病防治的重要手段，抗病毒药物势必将长期受到重点关注，相关检测研究亦会持续深入进行。着眼于检测的实用性，预计未来可能有两个发展方向。

一是制备高效电化学生物传感器。一方面，将酶、蛋白质、DNA、RNA等生物大分子固定在纳米材料修饰电极表面，考察药物分子在电极上的电化学行为及反应机理，明晰药物的结合靶点、作用机制及代谢产物，有助于研究人员探寻合适的标记物或者探针来构建更灵敏的分析体系和检测方法。另一方面，绝大多数抗病毒药物只针对某种特定毒株，可利用这种高度专一的应答模式，基于抗原-抗体之间的特异性识别原理，来制备高效能电化学免疫传感器。这方面的研究工作尚属起步，相关报道不多，极具开拓性和挑战性。

二是强化多组分或复杂样品分析。一方面，由于病毒的易变异性及耐药性，单方制剂往往疗效不佳，联合用药已成常态，现有的分析方法已很难满足复方制剂的检测要求。因此，需在电极修饰材料方面进行深度改进，通过优化纳米复合物的组成和结构，放大不同药物分子电化学活性的差异，从而实现多组分同时测定。另一方面，药物在尿液、血液、唾液、精液、阴道分泌液、乳汁等人体体液中常呈现不同形态，代谢产物复杂，干扰物众多，简单的“药物分子+水溶液”分析体系已无法模拟真实人体环境。需加强电化学和ECL、MIP、HPLC、CE等其它分析手段的联用，通过“预富集分离+电化学检测”模式，提高传感器的灵敏度和选择性。这方面已有一定的研究成果，但仍存在很多值得改进和提升的空间。

猜你喜欢复合物电化学电极全陶瓷电极可用于锂离子电池汽车工程师(2021年12期)2022-01-18电化学中的防护墙——离子交换膜中学生数理化(高中版.高考理化)(2021年4期)2021-07-19纳米材料在电化学免疫传感器中的应用化工管理(2021年7期)2021-05-13电化学基础测试题中学生数理化(高中版.高考理化)(2020年10期)2020-10-27电极反应式的书写方法中学生数理化(高中版.高二数学)(2020年2期)2020-04-21针对电极事故的控制系统方案应用商品与质量(2019年42期)2020-01-17大黄酸磷脂复合物及其固体分散体的制备和体内药动学研究中成药(2019年12期)2020-01-04关于量子电化学表面工程与再制造(2019年6期)2019-08-24青藤碱磷脂复合物的制备、表征及体外透皮研究天然产物研究与开发(2018年8期)2018-09-10白杨素磷脂复合物的制备及其药动学行为中成药(2017年5期)2017-06-13