题目：基于金纳米粒子和MXene纳米复合材料的电化学传感器用于即时监测血清生物标志物

期刊：ACS Nano

影响因子：15.8

原文链接：10.1021/acsnano.5c03194

汇报人：董冠男-2023级硕士

开发便携式、高性价比、高灵敏度的实时生物标志物检测生物传感器，对于推进护理点检测（POCT）和可穿戴式健康监测至关重要。 在这里，我们提出了一种集成的便携式电化学传感器（ip-ECS），它将金纳米颗粒（AuNPs）和MXene修饰的丝网印刷电极（SPE）与定制设计的低功耗电子系统结合在一起，用于即时监测血清生物标志物。 AuNPs和MXene纳米复合材料通过提供高密度的活性位点、提高电导率和催化活性，显著提高了SPE的电化学性能。 对两种模型分子（DA和UA）的检测验证了ip-ECS的可行性，UA和DA的检出限分别低至1.12 μM和1.11 μM。 此外，ip-ECS成功地应用于检测人血清中的Cys C，在50 ~ 5000 ng/mL范围内呈线性响应，与常规乳胶免疫比浊法（LIA）具有很强的相关性（ρ = 0.9556）。 使用孕妇血清样本进行的临床验证显示，妊娠期糖尿病（GDM）患者的Cys C水平升高，突出了该传感器在早期GDM风险预测中的潜力。 ip-ECS代表了用于POCT、可穿戴诊断和个性化医疗的下一代生物传感器发展的重要一步。

       准确快速检测尿酸、多巴胺和半胱氨酸蛋白酶抑制剂C等生物标志物对诊断和监测多种生理病理状况至关重要。传统检测方法存在成本高、操作复杂、依赖集中实验室设施等局限。电化学传感具有简单、灵敏、响应快和可微型化等优点，但多数方法依赖传统桌面电化学工作站，无法实现可穿戴和家庭使用。近年来，便携式微型电化学工作站与丝网印刷电极的结合受关注，纳米技术的发展进一步提升了电化学传感器性能。然而，开发结合优化纳米复合界面和便携式电子读出设备的集成系统仍有差距，临床验证也较少，因此开展此项研究。

ip-ECS的设计与制备。

图1所示。 ip-ECS的插图。 (A) AuNPs和MXene-SPE的结构示意图，由PET薄膜衬底、导电油墨层、Ag/AgCl油墨层和UV保护层组成。 (B)使用自动丝网印刷机大量生产的合成aunp和MXene-SPE的照片。 (C)单个aunp和MXene-SPE的照片，展示了其紧凑性和灵活性，以及弯曲测试，展示了其适用于便携式，可穿戴和POCT应用。 (D)工作电极的修饰过程说明。 首先沉积MXene为AuNP生长提供位点，然后电沉积AuNP以提高导电性并引入额外的电活性位点。 (E)定制电子设备概述，该设备设计紧凑，低功耗操作，与改进的aunp和MXene-SPE集成，可实现高性能电化学传感。

AuNPs和MXene-SPE的制备与表征。

图2 AuNPs和MXene-SPE的表征。 SEM图像显示了AuNPs和MXene纳米复合材料的形貌：(A) AuNPs和MXene- spe的制备过程和不同条件下的形貌表征。 （B−C） AuNP沉积后MXene呈多层手风琴状结构。 (D)单纯的SPE比较。 (E) AuNPs和MXene对应的元素映射图。 (F)复合材料中C、Ti和Au均匀分布的能谱图。 (G) TEM图像描绘了MXene（约500 ~ 600 nm）的片状结构，根据AuNP尺寸直方图，AuNP尺寸范围为6 ~ 24 nm。

AuNPs和MXene-SPE的电化学表征。

图3 MXene、AuNPs和MXene样品的XRD和XPS谱。 (A) MXene、AuNPs和MXene样品的XRD谱图。 (B) MXene、AuNPs和MXene样品的XPS全谱。 (C) AuNPs和MXene的C - 1s， (D) AuNPs和MXene的O - 1s， (E) AuNPs和MXene的Ti - 2p， (F) AuNPs和MXene的Au - 4f的高分辨率XPS光谱。

ip-ECS检测DA和UA的电化学性能。

图4 AuNPs和MXene-SPE的电化学表征。 (A)采用CV法、EIS法和DPV法对AuNPs和MXene-SPE的最佳修饰条件进行了筛选。 用于评估优化的指标是ΔEp、Rct和Ip。 不同MXene浓度(B)、扫描速率(C)和CV沉积段(D)条件下AuNPs和MXene- spe的CV曲线。 不同MXene浓度(E)、扫描速率(F)和CV沉积段(G)条件下AuNPs和MXene- spe的EIS曲线。

ip-ECS的电子设计与实样分析。

图6 ip-ECS的性能表征和真实样品分析。 (A) PCB的系统框图。 (B) PCB的照片。 (C) ip-ECS和CHI650分别检测200 μM和1000 μM UA的DPV曲线比较。 (D) Ip - ecs和CHI650分别检测到的200 μM和1000 μM UA的Ip比较。 (E)自动生化系统的检测流程和提出的ip-ECS。 (F)自动生化系统和ip-ECS检测36份血清样品的fua测量值的比较。 (G)自动生化系统（y轴）与ip-ECS （x轴）测定的fua浓度比较。 根据Pearson积矩相关系数（ρ = 0.995）确定相关性，表明常规自动生化系统与所提出的传感器之间具有高度的一致性。

ip-ECS在GDM妊娠预测中的临床应用。

图7 ip-ECS在孕妇血清Cys检测中的应用。 (A)基于血清Cys C水平预测孕妇GDM风险的过程(i)和Cys C电化学检测的工作原理（ii）。(B)检测不同浓度Cys C（从后到前：50、100、200、500、700、1000、2500、5000 ng/mL）的电化学响应。 (C) Cys C的校准曲线范围为50 ~ 5000ng /mL。 (D) ip-ECS检测Cys C和常见血清蛋白干扰素的选择性。 (E) Cys C在30天储存期内当前响应的稳定性。 (F) LIA测定的Cys C浓度（x轴）与ip-ECS测定的Cys C浓度（y轴）比较。 根据Pearson积矩相关系数（ρ = 0.9556）确定相关性。 (G)全自动生化系统和ip-ECS检测健康妊娠和GDM妊娠Cys C浓度的比较。

研究结论

开发的ip - ECS能灵敏快速检测血清中UA、DA和Cys C，具有高灵敏度、选择性和稳定性。检测结果与传统方法相关性好，能可靠测定生物标志物，在预测GDM风险中有应用潜力，是下一代诊断工具的重要进展。