一种多形态Cu修饰电极，用于灵敏的非酶法肌酐检测

《Microchemical Journal》：A multi-morphological cu modified electrode for sensitive non-enzymatic creatinine detection

优化Cu纳米结构形态以提高肌酐检测灵敏度的研究。通过预处理丝网印刷碳电极形成多形态Cu结构，显著增强Cu2?-肌酐复合物的形成效率，实现5-400 μM宽线性范围、5.01 μA·μM?1·cm?2高灵敏度和2.86 μM低检测限，具备优异选择性和重复性，临床验证准确率达91.5%以上。

　　

Hongming Hou|Xiaoxue Liang|Xianglong Li

四川大学机械工程学院，中国成都610065

摘要

高效的Cu²⁺-肌酐络合对于基于Cu的非酶电化学肌酐传感器的灵敏度至关重要。本文采用了一种形态优化策略来促进Cu²⁺-肌酐络合。具体而言，将丝印碳电极（SPCE）用饱和碳酸钠预处理形成P-SPCE，然后通过一步电沉积工艺制备出多形态Cu修饰电极（Cu/P-SPCE）。这种多形态Cu结构增强了肌酐的吸附能力，并促进了Cu²⁺-肌酐复合物的有效形成，从而提高了检测灵敏度。电化学测试结果显示，Cu/P-SPCE传感器在5至400 μM的范围内具有宽线性响应，灵敏度为5.01 μA·μM^?1·cm^?2，检测限为2.86 μM。该传感器对尿酸和抗坏血酸等常见干扰物质表现出良好的选择性，并且批间重复性优异（相对标准偏差为1.40%，n=12）。使用人尿样进行验证时，其结果与临床酶检测方法高度一致，准确率超过91.50%。这些结果表明，对基于Cu的电极进行形态优化是一种有效的提高肌酐检测灵敏度的策略。

引言

慢性肾病（CKD）影响全球约8.5亿人，已成为一个重大的公共卫生问题[1]，[2]。由于CKD在早期阶段通常无症状，因此早期筛查和持续监测对于有效干预至关重要。肌酐是评估肾功能的关键生物标志物，其准确测定对于CKD的诊断、治疗和病情监测至关重要[3]，[4]。与侵入性的血清肌酐检测相比，尿液肌酐分析具有无创性、操作简便且患者依从性高，更适合长期监测和大规模人群筛查。尿液肌酐的正常范围是4.4–18 μM，异常低的水平（<3 μM）可能预示着CKD的风险增加[5]，[6]。因此，开发可靠且易于获得的尿液肌酐检测方法具有重要的临床意义。目前，尿液肌酐主要通过临床实验室的酶法和高性能液相色谱（HPLC）进行测定[7]。尽管酶法具有高特异性，但其试剂成本较高，且不适合即时检测（POC）[8]。HPLC虽然分析精度高，但需要昂贵的仪器和复杂的操作流程，限制了其应用范围，主要限于专业实验室[9]。非酶电化学肌酐传感器因其简单性、低成本和快速响应而受到越来越多的关注[10]，[11]，[12]。然而，由于肌酐在电化学上呈惰性[13]，其电化学检测通常依赖于其与金属离子的络合，这种络合会产生可测量的电化学信号[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]。其中，Cu²⁺与肌酐具有强烈的配位作用，这使得基于Cu的电极成为一种广泛研究的敏感肌酐检测平台[21]，[22]，[23]，[24]。

最近的研究在非酶Cu基电化学肌酐传感器方面取得了显著进展。例如，沉积在SPCE上的Cu纳米立方体实现了低检测限的灵敏检测[25]，而火花沉积的Cu纳米颗粒生成了表面粗糙、表面积较大的电极，从而增强了电子转移和电化学性能[26]。双金属Cu@Co传感器被开发用于尿液中肌酐的敏感和选择性检测，并利用机器学习识别影响传感器性能的关键电化学特征[20]。除了形态控制外，还广泛探索了表面功能化策略以进一步提高传感器性能。两性离子功能化的Cu₂O-Au核-卫星纳米杂化物具有抗污染性能，能够直接分析未经处理的人尿[27]。用苯乙烯基三苯基膦离子液体（STPP-IL）/Nafion复合材料修饰的CuO电极表现出更高的灵敏度和选择性[10]。此外，基于甲基硫代咪唑Schiff碱配体（Cu(II)-ImaSMe）的Cu(II)复合物引入了优先结合肌酐分子的特定配位位点，从而提高了检测选择性[24]。尽管取得了这些令人鼓舞的进展，但大多数现有方法仍依赖于复杂的表面功能化或额外的电极修饰，限制了其实用性。开发一种简单的方法来增强电极/电解质界面处Cu²⁺与肌酐的特异性络合仍然是关键挑战，因为这一过程在很大程度上决定了传感器的灵敏度[22]，[27]，[28]，[29]。

本文提出了一种无需复杂修饰的SPCE表面预处理策略，以调控Cu修饰电极的微观结构。用饱和碳酸钠（Na₂CO₃）对SPCE进行电化学处理可部分去除有机粘合剂，暴露出石墨烯边缘的羰基（–C=O）和羟基（–OH）基团，这些基团促进了电沉积过程中的Cu²⁺还原和成核，形成了多形态Cu/P-SPCE。这种独特的形态增强了肌酐的吸附能力和Cu²⁺-肌酐络合，从而提高了检测灵敏度。结果表明，Cu/P-SPCE具有宽线性响应范围、高灵敏度和良好的选择性。其检测结果与临床酶检测方法在人尿样本中的一致性也很好，相对偏差小于8.50%，显示出其在即时检测（POC）中的潜力。

化学试剂

分析级Na₂CO₃、木质素磺酸钠（SLS）、CuSO₄·5H₂O、肌酐、葡萄糖、抗坏血酸、尿酸、肌酸、尿素、NH₄Cl、NaH₂PO₄、K₃Fe(CN)₆、K₄Fe(CN)₆·3H₂O和KCl由上海Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd.提供；Na₂HPO₄由Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.提供。SPCE由长沙Sunjeen Electronic Technology Co., Ltd.提供。pH值为7.0的0.1 M磷酸盐缓冲液（PBS）是通过混合Na₂HPO₄和NaH₂PO₄制备的。

传感器制备

SPCE通过电化学方法进行...

预处理SPCE对Cu电沉积的影响

先前的研究表明，饱和Na₂CO₃预处理可以去除SPCE表面的有机粘合剂，暴露出富含-C=O和-OH等功能团的石墨烯边缘平面[30]，[31]，[32]，[33]。基于此，我们假设用饱和Na₂CO₃预处理SPCE后，暴露在石墨烯边缘平面上的-C=O和-OH基团会与Cu²⁺配位，从而促进这些位点上的优先还原和成核。

结论

总之，所提出的表面预处理有效调节了P-SPCE上的Cu微观结构。这调控了Cu²⁺的成核行为，促进了多形态Cu结构的形成，增强了肌酐的吸附能力和Cu²⁺-肌酐复合物的形成。所得Cu/P-SPCE传感器在5–400 μM范围内具有宽线性检测范围，检测限低至2.86 μM，并具有高选择性和重复性。尿液样本分析结果与...

CRediT作者贡献声明

Hongming Hou：撰写——原始稿件、方法学设计、实验研究、概念构思。Xiaoxue Liang：监督、资源提供。Xianglong Li：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、资金争取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国四川省重大科技项目（2022ZDZX0001）的支持。