陈琪雯 魏邦国 陈刚

（复旦大学药学院 上海 201203）

由于国际社会对中药接受程度不断提高，中药已成为世界医药产业的重要发展方向之一。由于化学成分复杂，有些化学成分含量低，中药的质量检测与分析一直是药物分析界的难题[1]。中药材的成分受产地、品种、栽培、采集时间、炮制等因素影响，造成中药材的质量不稳定。于是，建立中药有效成分的快速灵敏的检测方法具有重要意义。

碳纳米管是分子尺寸的石墨碳管，具有独特的物理、化学性质。自从1991年Lijima首次报道存在碳纳米管以来[2]，碳纳米管的高电导性和高热导性、机械强度、及其出色的化学稳定性吸引了越来越多的研究人员的关注。因其独特的电性质，碳纳米管是制作电化学传感器和生物传感器的理想材料。实验表明，当被用于作为电极材料检测系列生物活性物质时，碳纳米管表现出很强的电催化活性及抗表面钝化的能力，是制作电极的理想材料。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其他碳素材料的基本单元。石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，在电化学传感器领域有良好的应用前景[3]。

本项目研制成功一系列碳基纳米材料电极，并与毛细管电泳和微流控芯片等技术联用，已成功用于槐角、红景天、鱼腥草等常用中草药的有效成分和电化学指纹图谱的检测。检测的成分包括黄酮类、异黄酮类、多酚类、生物碱、木脂素类、糖类和糖甙类等生物活性物质，并用于药物质量评价、药材鉴别、药物资源调查和中药制剂的质量控制等，拓宽了碳纳米管和石墨烯的应用范围，有良好的实际意义和应用价值，同时为其他药材的分析提供新方法。

1 本体聚合法制备中药有效成分电化学检测用碳基纳米材料电极

1.1 本体聚合法制备碳纳米管-聚合物复合材料电极及其在中药有效成分检测中的应用

将氰基丙烯酸乙酯与多壁碳纳米管按质量比为7∶3混合，然后填充于石英毛细管中，连接导线后，用水蒸汽引发本体聚合得碳纳米管-聚氰基丙烯酸乙酯复合材料电极，使用前电极末端用砂纸磨成盘状，得成品电极。图1为碳纳米管-聚氰基丙烯酸乙酯复合材料电极断面扫描电子显微镜照片，可见碳纳米管分散在聚氰基丙烯酸乙酯中并形成良好的导电网络。红外光谱图表明该复合物为碳纳米管与聚氰基丙烯酸乙酯的简单混合物[4]。

图1 碳纳米管-聚氰基丙烯酸乙酯复合材料电极断面扫描电子显微镜照片

图2为碳纳米管-聚氰基丙烯酸乙酯复合材料电极和石墨-聚氰基丙烯酸乙酯复合材料电极与毛细管电泳联用分离检测染料木甙、槐角苷、芦丁、染料木素、山柰酚和槲皮素的电泳图谱。可见碳纳米管-聚氰基丙烯酸乙酯复合材料电极的电流响应明显高于对照电极，检测下限在0.13~0.44 µmol/L范围内。图3为用碳纳米管-聚氰基丙烯酸乙酯复合材料电极检测槐角的电泳图谱。

此外，还采用本体聚合法制备了碳纳米管-聚甲基丙烯酸甲酯复合材料电极[5]，该电极已用于中药厚朴中和厚朴酚的分离检测。结果表明基于碳纳米管检测电极时待测样品的灵敏度显著提高，因碳纳米管电极对酚类物质催化性能较好，加速了电极表面的电子传递速率，使电泳峰半峰宽下降从而使分离度提高。

将苯乙烯预聚物后得到的黏性溶液与碳纳米管混合后，填充于石英毛细管内通过热引发原位聚合，制得聚苯乙烯-碳纳米管复合电极，与微流控芯片联用，该电极被用于芯片毛细管电泳安培检测中药槐米中的芦丁和槲皮素，不仅检测灵敏度获得提高，电极的抗污染能力也获得改善[6]。

1.2 本体聚合法制备石墨烯-聚合物复合材料电极及其在中药有效成分检测中的应用

将石墨通过化学氧化、超声剥离和化学还原制备石墨烯，将甲基丙烯酸甲酯与引发剂混合预聚成黏性溶液，与石墨烯混合后填充在在毛细管内热引发原位聚合，制得石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合材料电极，电极中石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的扫描电子显微镜照片见图4。可见石墨烯分散在聚甲基丙烯酸甲酯中形成了相互连接的导电体系。在此基础上，将石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合材料电极与毛细管电泳联用检测野老鹳草有效成分（图5）[7]。此外，还采用本体聚合法制备了石墨烯-聚苯乙烯复合材料电极，与毛细管电泳联用用于检测鱼腥草有效成分（图6），获得了满意的结果[8]。

(a) 0.25 mmol/L染料木甙；(b) 0.25 mmol/L槐角苷；(c) 0.25 mmol/L芦丁；(d) 0.50 mmol/L染料木素；(e) 0.50 mmol/L山柰酚和(f) 0.50 mmol/L槲皮素。图2 (A)碳纳米管-聚氰基丙烯酸乙酯复合材料电极和(B)石墨-聚氰基丙烯酸乙酯复合材料电极（对照）与毛细管电泳联用分离检测对照品的电泳图谱

(a) 染料木甙；(b) 槐角苷；(c) 芦丁；(d) 染料木素；(e) 山柰酚和(f) 槲皮素。图3 用碳纳米管-聚氰基丙烯酸乙酯复合材料电极检测槐角提取液的电泳图谱

图4 石墨烯-聚甲基丙烯酸酯复合材料电极断面扫描电子显微镜照片

（a）芦丁；（b）金丝桃甙；（c）山奈酚；（d）柯里拉京；（e）老鹳草素；（f）没食子酸；（g）原儿茶酸。图5 野老鹳草提取液在石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合材料电极上的电泳图谱

(a)芦丁；(b)异槲皮甙；(c)槲皮素；(d)绿原酸。图6 鱼腥草提取液在石墨烯-聚苯乙烯复合材料电极上的电泳图谱

2 溶液混合法制备中药有效成分电化学检测用碳基纳米材料电极

2.1 溶液混合法制备碳纳米管-纤维素复合材料电极及其在荆三棱有效成分检测中的应用

使用二硫化碳处理碱性纤维素，得水溶性黏胶，然后与碳纳米管混合酸化，得不溶性的纤维素-碳纳米管复合物。该过程可直接在电极表面进行，从而可直接制备纤维素-碳纳米管复合物修饰电极。本项目采用纤维素碳纳米管复合材料修饰的电极以及未修饰的石墨电极作为工作电极，对含反式白藜芦醇，荆三棱素A，荆三棱素B和对羟基肉桂酸的混合溶液进行检测。四种待测物质可在12 min内被充分地分离开来。用纤维素-碳纳米管复合材料修饰的电极检测时，四种化合物的峰电流明显高于用未修饰的石墨电极检测时的峰电流。此外，我们还测定了中药荆三棱中的反式白藜芦醇，荆三棱素A，荆三棱素 B和对羟基肉桂酸[9]。

2.2 溶液混合法制备石墨烯-脲醛树脂复合材料电极及其在红景天有效成分检测中的应用

将石墨通过化学氧化、超声剥离和化学还原制备的石墨烯与通过尿素与甲醛溶液在碱性条件下反应制得脲醛树脂预聚物混合，涂布到铂盘电极表面得石墨烯-脲醛树脂复合材料修饰电极。该电极与毛细管电泳联用测定了三批红景天样品提取液（图7）[10]。

(a)红景天苷；(b)酪醇。图7 三批[(A)~(C)]红景天样品提取液在石墨烯-脲醛树脂复合材料电极上的电泳图谱

3 熔融混合法制备碳纳米管-EVA复合材料电极及其在秦皮有效成分检测中的应用

乙烯–醋酸乙烯共聚物（EVA）是由乙烯和醋酸乙烯单体共聚而成的高分子，具有价格低廉、熔点低、防水及机械性能优异等特点。目前已有的EVA-碳纳米管复合材料主要采用向含有碳纳米管和EVA的环己烷溶液中加入乙醇，使二者共沉淀而形成复合物。然而，在通过这种方法获得的复合物中，碳纳米管的含量低于10%，不适合加工电极。本课题组采用首创了熔融混合填充法制备了碳纳米管-聚合物复合材料电极，将 EVA置于一块温度约150℃的热玻璃板上加热熔融后，将其与碳纳米管充分混合均匀，然后填充于毛细管中，冷却后制得碳纳米管-聚合物复合材料电极。

我们将该电极与毛细管电泳联用，采用安培法检测了秦皮中的秦皮甲素和秦皮乙素（图8）[11]。

（a）秦皮甲素;（b）和秦皮乙素。图8 三批[(A)~(C)]秦皮样品提取液在碳纳米管-EVA复合材料电极上的电泳图谱

4 原位胶凝法制备碳纳米管-海藻酸盐复合材料电极及其在丹参注射液有效成分检测中的应用

将多壁碳纳米管与海藻酸钠水溶液混合均匀，浸涂在碳基电极表面，然后浸入氯化钙水溶液，发生原位胶凝，晾干后制得碳纳米管-海藻酸盐复合材料修饰电极。采用扫描电子显微镜、热重分析、X射线衍射、红外光谱等技术对合成的海藻酸钠-碳纳米管复合新材料进行了测试和表征，表明碳纳米管与海藻酸盐获得良好的复合[12]。

将研制的海藻酸盐-碳纳米管复合材料修饰碳圆盘电极与毛细管电泳联用，进行丹参注射液中五种有效成分的安培检测，电化学指纹图谱见图9，结果令人满意。

（a）原儿茶醛，（b）丹酚酸A，（c）丹酚酸B，（d）咖啡酸，（e）原儿茶酸。图9 丹参注射液的电泳图谱

5 共沉淀法制备碳纳米管-纳米铜复合材料电极及其在板蓝根中糖类物质检测中的应用

先将碳纳米管与硫酸铜溶液混合，然后加入硼氢化钾溶液，进一步加热可得碳纳米管-纳米铜复合材料。然后将该材料与石蜡油按质量比7∶3混合，填入石英毛细管得碳纳米管-纳米铜复合材料电极。与毛细管电泳联用，已成功用于板蓝根中糖类物质的检测[13]，电化学指纹图谱见图10。

（a）甘露醇;（b）蔗糖;（c）葡萄糖；（d）果糖。图10 三批[(A)~(C)]板蓝根样品提取液在碳纳米管-纳米铜复合材料电极的电泳图谱

6 结语和展望

本项目研制成功的碳基纳米材料电极包括碳纳米管-聚氰基丙烯酸乙酯复合材料电极、碳纳米管-纤维素复合膜修饰电极、碳纳米管-脲醛树脂复合材料电极、碳纳米管-EVA复合材料电极、碳纳米管-海藻酸盐复合材料电极、碳纳米管-聚苯乙烯复合材料电极、碳纳米管-聚甲基丙烯酸甲酯复合材料电极、石墨烯-脲醛树脂复合材料电极、石墨烯-聚苯乙烯复合材料电极、石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合材料电极和石墨烯-纳米铜复合材料电极，与毛细管电泳和微流控芯片等技术联用，已成功用于槐角、红景天、鱼腥草、槐米、厚朴、野老鹳草、荆三棱、秦皮、和板蓝根等常用中草药的有效成分和电化学指纹图谱的检测，同时根据检测对象不同可选择不同检测电极和检测方法，获得一种中药的多种成分信息。检测的成分包括黄酮类、异黄酮类、多酚类、生物碱、木脂素类、糖类等生物活性物质，建立了包括药材采集和处理、提取、分离、检测条件的优化和样品分析在内的系统的分析技术，并用于药物质量评价、药材鉴别、药物资源调查和中药制剂的质量控制等，拓宽了碳纳米管和石墨烯的应用范围，有良好的实际意义和应用价值，同时为其他药材的分析提供新方法。

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