掺铁酞菁的双水凝胶网络能够实现对与神经相关的分析物的灵敏且选择性的电化学检测

《Microchemical Journal》：Iron phthalocyanine doped dual hydrogel network enables sensitive and selective electrochemical detection of neuro-related analytes

可靠检测复杂生物环境中神经相关生物标志物是理解疾病机制和临床诊断的关键，但铜离子（Cu2?）与多巴胺（DA）氧化电位重叠及生物污堵问题阻碍了现有技术发展。本研究开发了一种碳纤维微电极（CFME）-金纳米颗粒（dAu）修饰的PVA/SA-Ca2?双网络水凝胶掺杂铁酞菁（FePc）的复合传感平台，通过机械刚性骨架与可扩展离子传输网络的协同作用，实现Cu2?和DA的高灵敏（检测限7.5nM）选择性检测，并在含10% BSA和全血样本中验证有效性。

　　

周海峰|罗金红|鲍青|戴伟杰|邹平|张英阳|吴海燕|周玉婷|顾生森|蒋文清

中国江苏省常州市常州市大学石油化工工程学院先进催化材料与技术江苏省重点实验室，邮编213164

摘要

在复杂的生物环境中可靠地检测与神经相关的生物标志物对于理解疾病机制和推进临床诊断至关重要。然而，铜离子（Cu²⁺）和多巴胺（DA）的氧化电位高度重叠，加上生物基质中的强烈生物污染，给分析带来了重大挑战。本文报道了一种基于碳纤维微电极（CFME）的传感平台，该电极表面涂覆了金纳米颗粒（dAu），并掺入了铁酞菁（FePc）的双网络水凝胶（PVA/SA-Ca²⁺）。这种双网络水凝胶结合了物理交联PVA的机械强度和Ca²⁺-海藻酸盐的离子传输路径，而FePc提供了丰富的氧化还原活性位点和配位位点。优化的CFME-dAu-PVA/SA-FePc-Ca²⁺电极能够在磷酸盐缓冲液（PBS）、10%牛血清白蛋白（BSA）和血液样本中高度灵敏且选择性地检测Cu²⁺和DA。此外，在相同浓度下，Cu²⁺的电流响应几乎是DA的两倍（检测限低至7.5 nM），这突显了FePc掺杂双网络水凝胶的尺寸选择性筛选、优先富集和高效催化能力。这项工作展示了一种多功能传感策略，整合了离子交联、氧化还原活性掺杂和微电极微型化技术，为复杂生物基质中的神经化学生物标志物监测提供了一个稳健的平台。

引言

铜离子（Cu²⁺）是一种重要的微量元素，参与酶促氧化还原反应、神经递质合成和抗氧化防御。[1]然而，其失调与神经元毒性密切相关。血液中Cu²⁺浓度的升高会破坏血脑屏障（BBB）微环境的金属稳态，从而增加Cu²⁺通过特殊转运机制进入大脑的风险。[2],[3]此外，临床研究显示阿尔茨海默病（AD）和威尔逊病患者的血清铜水平发生改变，这支持了外周Cu²⁺水平可能作为神经退行性疾病风险早期预警信号的假设。因此，灵敏地检测血液中的Cu²⁺不仅具有诊断意义，还有助于在不可逆的脑损伤发生前进行预防性监测。[4]同时，多巴胺（DA）长期以来被认为是调节认知、情绪和运动控制的中枢神经递质。[5],[6],[7]尽管DA本身难以穿过BBB，但外周DA水平的升高可能反映了神经递质的系统性失调和神经化学失衡。[8]多项研究表明，血液中的DA水平可以作为中枢多巴胺功能障碍的间接生物标志物，有助于了解疾病的严重程度和进展。[9]因此，同时监测血液中的Cu²⁺和DA可以提供互补的诊断信息，其中Cu²⁺可作为神经毒性风险的早期指标，而DA可作为疾病进展和严重程度的标志物。

尽管如此，在复杂的血液基质中同时检测Cu²⁺和DA在技术上仍然具有挑战性。电化学传感因其高灵敏度、快速响应、微型化以及与复杂生物基质的兼容性而具有吸引力。[10],[11],[12],[13]然而，同时监测这两种关键生物标志物的监测平台仍然很少见。这是因为许多开发的功能电极在面对生物污染时会失去高选择性和灵敏度，这对开发更先进的电化学传感平台构成了重大障碍。为了解决复杂生物基质中电化学传感界面的生物污染问题，已经开发并使用了多种抗污染材料来修饰电极。[14],[15],[16],[17],[18]特别值得注意的是一种由三维聚合物网络结构组成的水凝胶抗污染材料，它具有高含水量、可调的孔隙率、理想的负载能力和优异的生物相容性。[10]这种功能界面不仅促进了分析物的扩散，还允许根据具体需求定制水凝胶基质以增强电性能。同时，提高水凝胶的韧性仍然是一个持续的挑战，主要是因为机械性能决定了它们的应用范围和服务寿命。迄今为止，已经采用了调节聚合物网络结构、增加交联密度和引入纳米材料等方法来增强水凝胶的机械性能。[19]其中，具有独特两部分网络结构的双网络水凝胶基质特别具有启发性：一种组分形成刚性骨架，另一种组分提供延展性。[20],[21],[22]正如周等人[19]所展示的，使用海藻酸钠（SA）来增强聚乙烯醇（PVA）网络。随后，利用霍夫迈斯特效应和金属配位作用开发了具有可调机械和电性能的离子导电水凝胶。然而，这些功能水凝胶主要针对块状或薄膜形式的应用进行开发。例如，关于将双网络水凝胶固定在碳纤维微电极（CFME）上的报道很少。在这里，作为一个概念验证，我们将由PVA和SA组成的双网络水凝胶涂覆在我们之前开发的沉积金纳米颗粒的CFME上（CFME-dAu），同时可控地将电催化位点铁酞菁（FePc）掺入水凝胶基质中（图1）。研究结果表明，我们的功能水凝胶微电极设计为便携式、微创监测工具提供了可行的途径，用于早期检测和评估神经退行性疾病的严重程度。

CFME-dAu-PVA/SA、CFME-dAu-PVA/SA-Ca²⁺和CFME-dAu-PVA/SA-FePc-Ca²⁺的制备

CFME和CFME-dAu的制备采用了基于我们之前工作的略微改进的程序。[10],[23]这些微电极的详细制备过程见补充信息（SI）。

CFME-dAu-PVA/SA-FePc-Ca²⁺的设计可行性

合理的电极设计，整合功能性纳米材料和仿生基质，对于克服这些挑战并提高灵敏度和选择性至关重要。[24],[25],[26]为了更清楚地展示将电活性位点纳入所提出的双网络水凝胶的可行性，向基质中添加了荧光碳量子点（FMP）作为模型纳米材料。如图1a所示，PVA/SA水凝胶的颜色逐渐从无色变为

结论

总结来说，我们成功开发了一种基于CFME涂层双网络水凝胶的新平台，该水凝胶由PVA和SA组成，通过Ca²⁺离子交联并掺入了FePc。这种架构结合了多种功能优势：(i) PVA/SA-Ca²⁺水凝胶提供了水合的、生物相容的、离子导电的基质，有利于分析物的传输；(ii) 双网络结构增强了机械稳定性，并实现了尺寸选择性扩散，提高了区分能力

作者贡献

H.Z.、W.J.和J.L.设计了项目并撰写了手稿。J.L.、Y.Z.、W.D.、Y.Z.、P.Z.、Q.B.和S.G.制备并表征了CFME-PVA/SA-FePc-Ca²⁺并分析了结果。H.W.提供了技术支持并修订了手稿。所有作者均已批准手稿的最终版本。

CRediT作者贡献声明

周海峰：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，研究，资金获取，概念构思。罗金红：写作 – 原稿，方法学，正式分析，数据管理。鲍青：写作 – 原稿，资源获取，资金获取。戴伟杰：软件，数据管理。邹平：写作 – 原稿，资源获取，研究。张英阳：写作 – 审稿与编辑，项目管理，研究。吴海燕：写作 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号22106009）、江苏省产教合作项目（BY20240482）和江苏工业大学（KYH24270）、常州市科技计划（CJ20241046）以及常州市高层次医学人才培训项目（2022CZBJ106）的支持。