基于TiO?空心立方体均匀结的纸基便携式光电化学免疫测定方法，用于检测碳水化合物抗原19-9（Carbohydrate Antigen 19-9）

《Analytica Chimica Acta》：Pencil-drawn paper-based portable photoelectrochemical immunoassay of carbohydrate antigen 19-9 based on TiO 2 hollow cube homogeneous junctions

基于TiO?异质结的纸基光电化学免疫传感器实现CA19-9高灵敏检测，其空心立方同质结结构提升光电转换效率，通过HRP催化4-氯代硝基苯缩合形成低导电物质，产生特征光电流衰减信号，检测限达0.37 mU/mL，准确性与ELISA相当且抗干扰性强，为家庭癌症筛查提供便携方案。

　　

陈秦燕|林琼|曾一斌|李海宁|韩晓|唐殿平|贾道军

福建省医科大学附属医院放射肿瘤科，福州350001，中国

摘要

背景

完全基于纸张的光电化学传感平台的设计在全面的社区癌症筛查中具有巨大潜力。

结果

基于具有高效光电转换特性的TiO₂空心立方体（HTCs）异质结和基于纸张的印刷三电极系统，构建了一种便携式光电化学（PEC）免疫检测方法。该传感器利用了对碳水化合物抗原19-9（CA19-9）的特异性免疫识别，介导辣根过氧化物酶（HRP）催化4-氯萘酚（4-CN）转化为不溶性的、低导电性的4-氯萘酚二聚体（4-CD），从而产生特征性的光电流衰减。在手电筒照射下，使用便携式纳安计记录信号。该传感器对CA19-9的检测范围为0.001–50 U mL^-1，检测限低至0.37 mU mL^-1。此外，对潜在癌症患者的临床血清样本进行的回收测试证实了其良好的准确性，t检验结果显示PEC方法与临床ELISA试剂盒之间没有显著差异，并且具有出色的抗干扰性能。

意义

本研究提供了一种高灵敏度、便携式的CA19-9检测平台，为其在护理点和家庭中的早期筛查奠定了基础。

引言

胰腺癌作为一种高度恶性的消化系统肿瘤，由于肿瘤异质性和药物耐药性等因素，对化疗的反应有限[1]、[2]、[3]。手术切除仍是主要的临床治疗方法，而早期诊断是改善患者预后的关键前提[4]。碳水化合物抗原19-9（CA19-9）作为胰腺癌最特异的血清生物标志物，在肿瘤早期阶段就表现出异常升高的表达水平[5]、[6]、[7]。然而，传统的检测方法（如酶联免疫吸附测定和高性能液相色谱）存在仪器依赖性强、操作复杂以及检测周期长等缺点，不适合在家庭环境中进行即时筛查[8]、[9]、[10]。光电化学（PEC）免疫传感技术利用其将生物信号转换为电信号的独特机制，结合了免疫检测的高灵敏度和电化学分析的低背景干扰优势[11]、[12]、[13]。凭借其简单的检测设备和低能耗，它为实现低成本、高特异性的家庭生物标志物检测提供了理想的技术途径[14]。

基于纸张的电极作为一种新型便携式传感平台，具有低成本、材料易得、制备过程简单、比表面积大以及优异的生物相容性等优点[15]、[16]、[17]、[18]。其灵活的结构便于在家庭环境中使用，并且通过简单修改可以实现生物分子的固定和信号放大。与传统刚性电极（如玻璃碳电极和金电极）相比，人工制备的纸张电极不仅降低了传感设备的生产成本，还支持一次性使用，防止了交叉污染[19]，这进一步符合家庭检测对便捷性和准确性的核心要求[20]。

然而，纸张电极的传感性能在很大程度上取决于加载在其上的光电转换材料。高效的光电材料是实现低浓度生物标志物精确检测的核心保障[21]、[22]。二氧化钛（TiO₂）因其化学稳定性强、光电催化活性高和生物毒性低而被广泛用于PEC传感[23]、[24]、[25]。然而，单晶平面TiO₂存在光生电子-空穴复合快和量子效率低的问题。通过在不同晶面（例如001面/110面）之间引入异质界面，TiO₂异质结结构可以利用带隙差异来增强光生载流子的分离和迁移[26]、[27]、[28]，从而显著提高光电转换效率，为纸张电极提供高灵敏度的检测能力。然而，精确构建具有特定TiO₂晶面的异质结结构仍然具有挑战性。

基于此，我们开发了一种新型的TiO₂异质结纸质光电化学免疫传感器，用于CA19-9的早期检测。通过协同蚀刻和模板法合成了具有001/110晶面异质结构的TiO₂异质结（空心TiO₂立方体，HTCs），并在优化条件下将其加载到铅笔绘制的碳电极上，表现出优异的稳定性。通过免疫识别特异性捕获目标CA19-9后，酶催化4-氯萘酚（4-CN）[29]，这一过程与TiO₂异质结的光电响应协同作用，最终实现了光电流强度与目标浓度之间的精确关联。从理论角度来看，HRP催化过氧化氢（H₂O₂）的分解，并将4-CN氧化为不溶性的绝缘沉淀物，从而表现出衰减型光电流-目标相关性。这种方法为家庭早期胰腺癌筛查提供了一种结合灵敏度和实用性的新方案。

材料与试剂

本研究中使用的所有试剂均为分析级，无需进一步纯化，所有水溶液均使用Millipore Milli-Q纯化水制备。Whatman纯纤维素色谱纸（1#）购自GE Healthcare Worldwide（上海浦东），根据需要切割成适当尺寸。6B型黑色铅笔购自当地沃尔玛商店。碳水化合物抗原19-9（CA19-9，目标分析物）、捕获抗CA199抗体（mAb1）等试剂也用于实验。

纸电极制备关键参数的优化

本工作的重点是构建基于纸张的自制光电传感核心，因此主要关注纸电极的关键参数优化，特别是铅笔与基底之间的角度、绘制过程中施加的力量以及绘制次数。图S1展示了直径为12厘米的纸上打印的模板排列示意图。首先，研究了不同条件（包括下压力、绘制时间和绘制次数）的影响

结论

总之，本研究报道了一种基于铅笔绘制的纸质光电化学传感平台，用于CA19-9目标的灵敏检测。通过TiO₂异质结工程构建了高效的光电转换核心，在分裂型免疫响应过程中实现了生物信号的转换。引入均匀异质结后，光电转换效率显著提高

CRediT作者贡献声明

曾一斌：撰写——原始稿件、可视化、验证、软件。 林琼：软件、资源获取、资金申请、正式分析、数据管理。 陈秦燕：撰写——原始稿件、方法学、研究、正式分析、数据管理、概念构思。 李海宁：资源获取、正式分析、数据管理。 唐殿平：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、资金申请。 韩晓：资源获取、正式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢福建省医科大学附属医院的研究启动基金（项目编号XH2024061）、福建省自然科学基金（中国）（2023J01411）以及国家自然科学基金（22574023、22274022和21874022）的财政支持。