利用咖啡提取物中的绿原酸对碳纳米材料进行原位功能化处理：实现多巴胺的电催化氧化，并深入探讨咖啡与多巴胺之间的相互作用机制

咖啡多酚氯ogenic酸（CGA）通过电化学修饰玻璃碳电极实现多巴胺选择性氧化调控，抑制神经毒性聚合物形成，检测灵敏度达2.215 μA·μM⁻¹，为帕金森病研究提供新机制。

Jayaprakash Meena | K. Santhakumar | Annamalai Senthil Kumar

纳米与生物电化学研究实验室，二氧化碳研究与绿色技术中心，维洛尔理工学院大学，维洛尔632 014，泰米尔纳德邦，印度

摘要

天然多酚类物质，如绿原酸（CGA），在咖啡中含量丰富，可作为氧化还原调节剂，有助于稳定多巴胺并减轻氧化应激。尽管饮用咖啡与降低帕金森病的风险有关，但CGA与多巴胺之间的直接氧化还原相互作用仍知之甚少。在本研究中，我们报道了一种一步法电化学制备碳黑改性的玻璃碳电极（GCE/CB@Coffee-CGA）的方法，该电极使用咖啡和pH 7磷酸盐缓冲液提取物作为前体，从而能够在生理条件下直接研究CGA与多巴胺的氧化还原相互作用。通过TEM、FESEM、拉曼光谱、红外光谱、UV-Vis、HPTLC、UPLC和SECM等分析方法对电极进行了全面表征，证实了具有氧化还原活性的CGA分子聚集体选择性地锚定在碳黑表面。这种改性电极表现出良好的电化学和操作稳定性，在重复循环（最多100次循环）后仍保持其氧化还原活性，并且在15天后仍保留约55%的氧化还原峰电流。该电极能够控制多巴胺氧化为多巴醌，并有效抑制过度氧化途径，包括与神经毒性色素生成相关的多巴胺聚合作用。所介导的氧化过程还被扩展到安培法i-t分析和批量注射分析模式，用于选择性检测多巴胺。在中性磷酸盐缓冲液中，该方法实现了2.215 μA μM^-1（安培法）和0.215 μA μM^-1（批量注射分析）的灵敏度，检测限为302 nM（信噪比=3）。这些结果强调了咖啡多酚在调节多巴胺氧化还原化学中的生物学意义，并为它们在帕金森病等多巴胺能疾病中的神经保护作用提供了机制上的见解。

引言

多巴胺（DA）是一种基本的神经调节剂，通过受体亚型与神经回路之间的复杂相互作用来调节运动控制、认知和情绪[1]。多巴胺能系统的功能障碍会导致多种神经系统疾病，如帕金森病[2]、[3]，以及精神疾病[4]，包括精神分裂症[5]、注意力缺陷多动障碍[6]、[7]和成瘾[7]。在外周应用中，多巴胺被用于血流动力学支持，但其治疗窗口较窄且伴有显著的副作用[8]。除了这些传统作用外，新兴研究还表明多巴胺在免疫调节[9]、癌症生物学[10]、代谢调节[11]和神经-免疫相互作用[12]中发挥作用，突显了其作为治疗靶点的潜力。在分子水平上，多巴胺参与电子转移反应[13]、[14]、[15]。多巴胺（1,2-二羟基苯衍生物）转化为相应的醌衍生物是生物氧化还原过程的关键步骤（图1A）[14]、[15]。这种氧化还原循环是一把双刃剑：虽然它有助于生理氧化还原信号传导和细胞氧化平衡的调节[1]，但过度或不受控制的循环会产生氧化应激[16]。这种应激会损害脂质、蛋白质和DNA等生物分子，损害线粒体功能，最终导致神经毒性[17]、[18]。例如，多巴胺的氧化产物多巴醌会与硫醇（如蛋白质、谷胱甘肽、半胱氨酸；图1A）[19]、[20]和DNA[18]反应，生成不可逆的色素聚合物如神经黑素[21]，这些都是有毒副产物。多酚类物质已被确定为天然氧化还原调节剂，它们可以参与可逆的电子转移反应而不产生有毒的色素副产物[14]、[22]、[23]。

咖啡是多酚最丰富的膳食来源之一，多项研究显示饮用咖啡与降低帕金森病的风险有关[2]、[3]，而帕金森病与多巴胺能神经元退化密切相关。例如，2024年的流行病学研究证实，经常饮用咖啡与帕金森病的发病风险显著降低[2]。早期的实验工作（2002年）表明，咖啡中的主要植物化学物质绿原酸（CGA）与咖啡因一起可以调节大鼠的多巴胺水平[24]、[25]、[26]。有趣的是，咖啡因并不直接结合到多巴胺受体上，也不以传统意义上的多巴胺激动剂发挥作用。相反，它对多巴胺能信号传导的影响主要是间接的，通过拮抗腺苷受体来实现，而腺苷受体与大脑中的多巴胺回路功能相关。在这里，我们重点研究了CGA与DA之间的直接氧化还原相互作用。通过研究在生理pH溶液中的碳黑改性玻璃碳电极表面（GCE/CB@CGA），我们证明了CGA可以通过电子转移机制调节多巴胺的氧化。这表明膳食多酚在稳定多巴胺代谢方面可能具有氧化还原保护作用，这可能解释了它们在帕金森病及相关疾病中的神经保护效果。

CGA是最丰富的膳食多酚之一[27]，尤其在绿咖啡豆中含量丰富[28]。从生物学角度来看，CGA具有多种有益活性，包括抗氧化和清除自由基的功能、抗炎作用、代谢调节以及神经保护和器官保护作用[29]、[30]。由于这种广泛的生物活性，CGA已成为研究的重点，尤其是在神经退行性病变、氧化应激缓解、代谢健康和氧化还原生物学领域[29]。先前的生物学研究表明，CGA可能通过抗氧化、抗炎和增强自噬的机制调节多巴胺相关的氧化还原反应并保护多巴胺能神经元[26]。然而，这些效应主要基于间接观察，CGA与DA相互作用的直接证据仍然有限。在本研究中，我们使用循环伏安法（CV）方法研究了CGA与多巴胺之间的氧化还原相互作用。我们的结果表明，CGA直接参与与多巴胺的电子转移反应，这一过程可能是咖啡消费背景下多巴胺稳定和激活的基础。我们还进行了独立的电分析实验，以评估CGA存在下多巴胺氧化的动力学和定量，证实了其作为氧化还原介质的作用。

在电化学文献中，除了碳和碳纳米材料改性的电极[31]、[32]、[33]、[34]之外，只有少数分子化合物被报道。例如二茂铁[35]、吡罗卡特醇[36]、钴六氰铁酸盐[34]、[37]、镍五氰亚硝基铁酸盐[38]、铜六氰铁酸盐[39]、亚甲蓝[40]、钴酞菁[34]、聚（花青红）[41]、锰四苯卟啉[42]和原儿茶酸[14]及其衍生物。在这些研究中，大多数使用合成分子化合物对电极进行化学改性。在本研究中，我们开发了一种原位方法，利用简单的咖啡和pH 7磷酸盐缓冲液（PBS）提取物作为前体，制备了碳黑和绿原酸改性的玻璃碳电极（GCE/CB@Coffee-CGA）。这种方法制备出一种稳定的、具有氧化还原活性的分子功能电极，适用于中性pH溶液中的电催化氧化。本研究的关键创新点如下：(i) 一步法原位电化学固定CGA，直接从咖啡-水提取物到碳黑改性的玻璃碳电极上，形成稳定的、表面限定的氧化还原活性界面，无需使用有机溶剂、过滤、耗时的提取、纯化或单独的化学改性；(ii) 简单快速的制备策略，得到了坚固且具有氧化还原活性的CGA改性电极（GCE/CB@Coffee-CGA）；(iii) 直接电化学探测Coffee-CGA与多巴胺的氧化还原相互作用，为抗神经退行性过程提供了机制上的见解；(iv) 开发了一种高灵敏度和选择性的分子电化学平台，用于在生理条件下检测多巴胺。总体而言，这项工作首次提供了直接的电化学证据，证明一种来自咖啡的多酚可以在碳纳米材料表面选择性原位固定，以可控且无毒的方式调节多巴胺氧化。该研究独特地阐明了咖啡与多巴胺之间的分子水平氧化还原相互作用，揭示了潜在的电子转移机制，并将这些见解转化为一种绿色、一次性且生理相关的电分析平台，适用于实时多巴胺检测。

试剂和材料

碳黑（CB，N330级），石墨化纳米粉（GNP，400 nm，98%），石墨化介孔碳（GMC，纯度>99.55%，孔径<500 nm），多壁碳纳米管（MWCNT，纯度≥98%（基于碳），外径：10 ± 1 nm；内径：4.5 ± 0.5 nm；长度：3至6 μm），碳纳米纤维（CNF，石墨化，片状），纯度>98%（基于碳），尺寸D × L 100 nm × 20–200 μm，单壁碳纳米管（SWCNT，(6,5)手性，纯度≥95%，平均直径0.78 nm）

咖啡提取物对CB表面的功能化

图1A中的曲线(a)显示了未改性的GCE在10 mL pH 7 PBS中暴露于5 mg粗咖啡提取物时的CV响应。“粗咖啡提取物”是指通过将研磨后的烘焙咖啡豆分散在pH 7 PBS中，然后进行超声处理和过滤制备的提取物，未经进一步纯化。在这种条件下，未改性的GCE表现出无特征的伏安响应，表明电极表面没有电活性物质。

结论

在本研究中，我们成功开发了一种原位电化学策略，将来自咖啡-水提取物的绿原酸（CGA）在中性pH条件下原位固定到碳黑改性的玻璃碳电极（GCE/CB@Coffee-CGA）上。这项研究首次提供了直接的电化学证据，证明一种来自咖啡的多酚可以选择性固定在碳纳米材料表面上，形成一个稳定的、表面限定的氧化还原系统，能够介导...

CRediT作者贡献声明

Jayaprakash Meena：撰写——原始草稿，可视化，资源获取，实验设计，数据分析，概念化。K. Santhakumar：可视化，验证，监督，资源管理，方法学，数据管理。Annamalai Senthil Kumar：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，可视化，验证，监督，软件使用，资源管理，项目协调，方法学，资金获取，数据管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们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

作者感谢科学技术部-科学与工程研究委员会（CRG/2021/001048）计划提供的财务支持。