集成声学谐振器和电化学芯片的微流控平台实现过氧化氢检测

过氧化氢（H₂O₂）在调节细胞代谢、增殖、分化和凋亡方面起着至关重要的作用。细胞内H₂O₂的过量产生和积累还会引起氧化应激，导致细胞成分的破坏，进而引发神经退行性疾病、心血管疾病、白血病和癌症等多种疾病。因此，H₂O₂水平可以作为早期诊断各种疾病的生物标志物。然而，细胞内的H₂O₂极不稳定，难以动态检测，因此，开发可以准确检测细胞内H₂O₂的方法迫在眉睫。

电化学法具有检测速度快、灵敏度高、操作简便等优点，为细胞内H₂O₂的检测提供了一种强有力的方法。在传统的电化学检测方法中，科研人员通常采用包括辣根过氧化物酶（HRP）和微过氧化物酶-8（MP8）在内的天然酶来修饰电化学工作电极，以实现H₂O₂的选择性检测。这些酶可以选择性地催化H₂O₂，但存在成本高、稳定性差等缺点。近年来，基于纳米材料的酶（纳米酶，nanozymes），包括贵金属纳米材料、过渡金属纳米材料、碳基纳米材料等成为了天然酶的替代品。这些纳米材料具有明显的类似酶的催化特性和传感性能，并且具有成本低、稳定性高的优势。

在所有已经报道的纳米酶中，金纳米颗粒（AuNPs）因为具有催化活性高、电子转移快和性质稳定等优点，成为用于H₂O₂检测的最有吸引力的传感元件。然而，基于金纳米颗粒的衬底的制造通常采用化学键合或物理吸附方法，难以将金纳米颗粒可控、均匀地修饰在传感表面，阻碍了其实际应用。电沉积合成纳米材料的方法具有可控性强和一步到位的优点，是一种潜在的优越方法。但是，利用这种方法合成的纳米颗粒通常尺寸较大且不规则，不适用于活细胞的电化学分析。

微流控技术是一种能够操控和分析微升级样品的新兴技术。将电化学方法与微流控技术相结合，能够以更高的检测灵敏度和更短的响应时间实现对生物分子的特异性检测。最近，声学与微流控技术的结合已经被证明是精确操控微/纳米级流体的一种很有前途的工具。通过将声学器件与微流控通道集成，声学器件产生的声波在穿过固液界面时会发生能量耗散，从而实现对流体局部的高度可控地驱动，这一技术称为声流（acoustic streaming，AS）。这种声流在溶液混合和泵送方面具有一定的优势，目前已经与微流控技术成功结合，并被用于样品的分离、浓缩和操控。

据麦姆斯咨询报道，近期，天津大学的科研人员开发了一种集成声学谐振器和电化学芯片（EC）的微流控检测系统，用于检测细胞内的H₂O₂。相关研究成果以“Enhanced on-Chip modification and intracellular hydrogen peroxide detectionvia gigahertz acoustic streaming microfluidic platform”为题发表在UltrasonicsSonochemistry期刊上。

该研究构建的微流控检测系统如图1所示。千兆赫兹（GHz）固态装配型谐振器（SMR）与电化学芯片分置在微流控通道两侧。H₂O₂和其他溶液通过入口管注入微通道，确保电化学芯片和固态装配型谐振器都充分暴露在液体环境中。当受到千兆赫兹交流电压信号的激励时，固态装配型谐振器通过逆压电效应将电能转化为周期性的机械振动。在谐振器的作用下，微流控通道中会产生稳定并且快速流动的声涡流。

图1 集成声学谐振器和电化学芯片（EC）的微流控平台的（a）原理图及其（b）制造过程

在这项研究中，科研人员从理论上优化了电化学芯片周围的柔性可控流体，并首次将其应用于金纳米颗粒的超声电化学沉积。在声流稳定、快速的流动刺激下，合成的金纳米颗粒比正常条件下的尺寸更小、分布更均匀，从而使金纳米颗粒表现出优异的过氧化物酶样活性。此外，声流还加速了目标分子的质量传递，提高了催化速率，从而增强了对H₂O₂的检测能力，其检测限极低，仅为32 nM，并且灵敏度高达4.34 μA/mM/mm²。

图2 基于声流（AS）的金纳米颗粒（AuNPs）超声电化学沉积

 

图3 合成的金纳米颗粒（AuNPs）的电化学性能

 

图4 声流（AS）对电化学催化动力学的影响

 

图5 有（橙线）无（蓝线）声流的情况下，电化学芯片-金纳米颗粒-声流（EC-AuNPs-AS）系统对过氧化氢（H₂O₂）的电流响应

最后，作为概念验证，科研人员将优化后的微流控平台用于不同细胞系中H₂O₂的检测。由于H₂O₂水平异常与癌症有关，因此该研究选择Hela（人宫颈癌细胞）和MCF-7（人乳腺癌细胞）细胞系作为肿瘤细胞模型，与此同时，选择MCF-10（人正常乳腺上皮细胞）和NE-4C（小鼠神经干细胞）细胞系作为正常对照组。实验结果表明，肿瘤细胞系（MCF-7/Hela）的电流响应远高于正常细胞系（MCF-10/NE-4C），其中MCF-7细胞系的电流响应最高。这些结果意味着H₂O₂的产生可能与细胞系的类型有关。因此，该系统有望在实际应用中有效地监测细胞内的活性氧。

图6 细胞内过氧化氢（H₂O₂）的监测

展望未来，这项研究提出的策略可以扩展到对其他生物或化学样品的高灵敏度检测中，并且GHz声学谐振器与电化学芯片的结合将成为推动分析领域发展的潜在手段。

审核编辑：刘清