广州医科大学：研发基于金和MXene纳米复合材料的电化学POCT传感器

 

近期，广州医科大学牟磊副教授，夏勇教授，莫光权副教授等在美国化学学会纳米杂志《ACS Nano》上合作发表题为“A Gold Nanoparticles and MXene Nanocomposite Based Electrochemical Sensor for Point-of-Care Monitoring of Serum Biomarkers”的研究论文。研究团队开发了一种集成的便携式电化学传感器（ip-ECS），它将金纳米颗粒（AuNP）和MXene修饰的丝网印刷电极（SPE）与自主设计的低功耗电化学检测电路相结合，用于血清生物标志物的即时监测。

传统检测方法存在成本高、操作复杂等局限，亟需便携式高敏生物传感平台。电化学传感是有力替代手段，其中便携式微电化学工作站与丝网印刷电极结合备受关注。近年来，团队长期聚焦于临床检验新技术与新方法研究，开发了一系列POCT和穿戴生物传感器。目前，已针对各种实际临床应用场景，设计低样本消耗量、重复性高的丝网印刷电极，通过对电极表面进行纳米修饰，结合微流控芯片和微型电化学工作站，将以往需要在医院大平台检测的复杂流程简化，在多病毒抗原、无创汗液多模态检测设备中已取得一系列突破性进展（Bioelectrochemistry 2025, 163, 108907; Chem. Eng. J. 2025, 505, 159209; J. Mater. Chem. B, 2025,13, 3906-3917; Microchem. J. 2024, 207, 112064; Biosens. Bioelectron. 2022, 197, 113765; Anal. Chem. 2022, 94 (5), 2510-2516; ACS Nano, 2021, 15 (8), 13077-13084）。

 

研究的主要内容

图. 基于微电极的POCT和可穿戴传感器开发

在最新这项工作中，团队提出了一种新型集成式便携式电化学传感器（ip-ECS），该项研究首次系统的优化了新型材料Au和Mxene共修饰的策略，实现Mxene和AuNPs的多催化位点改性电极，进一步配备定制的低功耗电子系统，用于无线、实时的生物标志物检测，可实现对UA（尿酸）、DA（多巴胺）、Cys C（胱抑素C）的超灵敏检测。该系统能够同时检测 UA 和 DA，为 POCT 和居家健康管理系统提供了一种很有前途的方法。ip-ECS 表现出优异的检测性能，包括高灵敏度（UA为118.280 nA/μM，DA为52.975 nA/μM）、LOD（UA 为 1.12 μM，DA 为 1.11 μM）和在常见血清干扰物存在下具有较强的抗干扰能力，该传感器表现出优异的可重复性、较低的相对标准偏差和良好的长期稳定性，在储存 14 天后仍保留了大部分电流响应。该系统成功应用于真实血清样本检测，与临床上使用的生化分析仪检测结果具有很强的相关性，证实了其在临床应用上的可靠性和准确性。此外，该印刷电极的低生产成本（0.25$）和可使用性使其成为传统诊断方法的有力替代方案。

图. ip-ECS的性能表征和真实血清样本检测。(A) PCB系统框图。(B) PCB实物图。(C) ip-ECS 和 CHI650 分别检测的 200μM 和 1000μM UA 的 DPV 曲线比较。(D) ip-ECS和 CHI650分别检测200μM和1000μM UA的峰电流对比。(E) 全自动生化分析系统和ip-ECS的检测过程。(F) 自动生化系统和ip-ECS检测到36份血清样品中UA测量值的对比。(G) 全自动生化分析系统（y轴）和ip-ECS（x轴）测量的UA浓度的对比。根据Pearson相关系数（ρ = 0.995）确定相关性，表明ip-ECS与常规自动生化系统之间具有高度一致性。

为了进一步评估 ip-ECS 的临床适用性，我们成功开发并证明了 ip-ECS 快速灵敏检测 Cys C 以预测妊娠糖尿病（GDM）的可行性。GDM疾病多发人群为高龄孕妇（>35岁）、超重/肥胖孕妇，在我国孕妇的发病率约10%-20%，且近年研究显示明显上升趋势。但传统检测方法（生化分析仪、HPLC等）具有设备占地面积大、成本高等缺点，迫切需要便携式、经济高效的生物传感平台。ip-ECS能够以高选择性、稳定性和重现性检测 Cys C。值得注意的是，该传感器对常见电活性物质和人体血清中蛋白质的特异性检测能力很强，这确保了其在复杂血清样品中的高稳定检测。通过在67 个孕妇血清样品中检测并与传统酶联免疫吸附法（ELISA）进行比较，相关系数p=0.995表明检测结果高度相关，进一步验证了 ip-ECS 在临床诊断中的应用，证明了极好的相关性。此外，该传感器已成功用于区分健康孕妇和被诊断患有 GDM 的孕妇，后者的血清 Cys C 水平显着升高，这些结果突出了 ip-ECS 作为 GDM 早期检测和风险评估的可靠工具的潜力。这项工作弥合了纳米材料创新和实际临床应用之间的差距，为下一代POCT 和可穿戴诊断提供了一个多功能平台。此外，这些创新将 ip-ECS 定位为去中心化医疗保健和个性化医疗的变革性工具。

图. ip-ECS 在孕妇血清Cys C检测中的应用。(A) 根据血清 Cys C 水平预测孕妇 GDM 风险的过程(i)，以及Cys C电化学检测的工作原理(ii)。(B) 检测不同浓度Cys C的电化学响应（从后往前：50 ng/mL、100 ng/mL、200 ng/mL、500 ng/mL、700 ng/mL、1000 ng/mL、2500 ng/mL 和 5000 ng/mL）。(C) Cys C的校准曲线范围为50 ng/mL至5000 ng/mL。(D) ip-ECS检测Cys C和常见血清蛋白干扰物的选择性。(E) ip-ECS在30天储存期内检测Cys C的稳定性。(F) LIA（x轴）和ip-ECS（y轴）测量的 Cys C 浓度对比。(G) 通过ip-ECS检测的健康孕妇和患有GDM孕妇血清中Cys C浓度的对比。

审核编辑 黄宇