《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Nanomaterials engrafted conducting thread based electrochemical biosensing platform for ultraefficient detection of CYFRA-21-1 biomarker
编辑推荐：
高效低成本棉线电极用于口腔癌生物标志物CYFRA-21-1的电化学检测，通过碳纳米管和PEDOT:PSS复合涂层实现导电与生物相容性优化，检测限达0.0005?ng?mL?1，线性范围0.001–70?ng?mL?1，灵敏度98.79?μA?cm?2·log?(ng?mL?1)?1，验证其在人工唾液中的可靠性。
潘卡杰（Pankaj）|切坦·拉梅什·高瓦利（Chetan Ramesh Gawali）|苏维恩·库马尔（Suveen Kumar）
印度古吉拉特邦甘地纳加尔艾哈迈达巴德国家药物教育与研究学院（National Institute of Pharmaceutical Education and Research-Ahmedabad）医疗器械系，邮编382355
摘要
在这项研究中，我们开发了一种基于棉线的电化学生物传感电极，该电极成本低廉且效率极高，用于检测口腔癌患者唾液样本中分泌的CYFRA-21-1生物标志物。我们使用家用棉线作为生物传感平台，并通过涂覆优化的碳纳米管（CNT）与聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）复合材料使其具有导电性。为了进一步改进生物传感电极的性能，我们物理固定了单克隆抗CYFRA-21-1抗体，并结合了牛血清白蛋白（BSA）以防止非特异性反应。所使用的纳米材料及制备的电极表面通过X射线衍射、扫描电子显微镜、ATR和电化学技术进行了表征。通过计时电流法（chronoamperometry，CA）测试了该生物传感电极对CYFRA-21-1生物标志物的检测性能，结果显示其线性检测范围为0.001至70 ng/mL?1，灵敏度高达98.79 μA [log (ng/mL?1)?1] cm?2，检测限低至0.0005 ng/mL?1。该电化学生物传感器在人工唾液样本中也表现出良好的检测效果，与标准样本结果高度吻合。
引言
在技术快速发展的时代，柔性电子设备已成为汽车、能源、电子、可穿戴设备、智能纺织品、医疗保健等多个领域的研究热点。其中，医疗保健领域因制造成本低、操作简便且用户友好而受到特别关注[1]。开发此类设备的关键因素是选择合适的基底材料，这种材料在弯曲和扭转时仍需保持机械完整性和电学性能。随着生物传感器的出现，诊断医疗系统发生了革命性变革[2]。目前常用的电极基底包括丝网印刷电极（SPE）、氧化铟锡（ITO）涂层玻璃电极、玻璃碳电极（GCE）、氟掺杂氧化锡（FTO）电极和金涂层电极等[3][4]。然而，这些基底材料的刚性限制了其在可穿戴设备中的应用。此外，传统电极的成本也是一个主要问题。研究人员正致力于使用低成本、可生物降解的基底材料来开发即时检测设备[5][6][7][8][9]。在这方面，棉线等柔性基底材料备受关注。棉线是一种常见的材料，主要由90-95%的纤维素以及少量水分、果胶、蜡和盐组成，适合大规模生产。其生物相容性、柔韧性和环保特性使其成为下一代生物传感器开发的理想选择[10][11][12]。要使棉线适用于电化学生物传感器，需将其改造成导电且生物相容的材料。目前有多种制造方法，如电纺、喷墨打印、浸涂和旋涂等，其中浸涂技术简单高效且可重复性好，不会影响电化学响应[13][14][15]。基于碳的导电油墨（如石墨烯、石墨和氧化石墨烯）以及导电聚合物（如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）等被广泛用于将棉线转化为导电材料[16][17]。导电聚合物凭借其优异的载流子迁移率、低电阻率、良好的分散性和易合成性成为理想选择[18][19]。
PEDOT:PSS是一种广泛应用的导电聚合物，具有价格低廉、氧化电位低、成膜能力强、化学稳定性高、导电性优异和透明度高等优点，非常适合用于生物传感平台[20][21][22][23]。Ma等人开发了一种PEDOT与聚甘油共轭的电极，用于检测孕妇血清样本中的甲胎蛋白（AFP），检测范围为0.10 pg/mL?1至1 ng/mL?1，相对标准偏差为6%[24]。Moczko等人将PEDOT:PSS直接涂覆在丝网印刷电极工作面上，用于检测水中的酚类化合物，提高了检测方法的成本效益和选择性，该免疫传感器的灵敏度为312 μA mmol?1 L[25]。Gualandi等人制备了基于PEDOT:PSS的有机电化学晶体管，可在尿酸和抗坏血酸等干扰物质存在下选择性检测多巴胺，结果显示该电极具有高灵敏度和低检测限[26]。多项研究表明PEDOT:PSS在电化学生物传感器开发中具有广泛应用前景。
尽管PEDOT:PSS具有诸多优点，但其生物传感性能仍有限，限制了其实际应用。通过对其纳米结构的改性，有望克服这一难题，从而开发出高性能的生物传感器。与PEDOT:PSS结合的纳米材料可显著提升导电性和电化学性能，有助于制造低成本、一次性使用的轻量级生物传感器[27][28][29]。
多种纳米材料（如石墨烯、碳纳米管（CNTs）、富勒烯（C60）、金（Au）、氧化锌（ZnO）、氧化铁（Fe?O?）、氧化钛（TiO?）、二氧化锆（ZrO?）等）被用于生物传感电极的制备[30]。其中，碳纳米管（CNTs）在生物传感平台开发中受到特别关注[31][32]。碳纳米管由sp2杂化的碳原子构成，具有纳米级的中空结构，因其优异的电子和机械性能而被广泛用于生物传感器的制造，可提供优异的导电性和生物相容性[34][35]。将其沉积在棉线上可形成导电层，保护生物分子的天然结构和生物活性。与ZrO?、Al?O?、TiO?、ZnO和SnO?等金属氧化物相比，碳纳米管具有更高的导电性和更好的生物相容性[36]。因此，我们选择碳纳米管作为关键材料，将其与PEDOT:PSS结合，开发出用于口腔癌诊断的先进电极。
口腔癌（OC）是全球癌症相关死亡的主要原因之一。嘴唇、鼻窦、脸颊、舌头、口腔顶部或底部以及咽喉连接处的异常肿块、持续性溃疡或不明原因的生长可能是口腔癌的早期征兆[36]。2022年全球报告了389,485例新病例和188,230例死亡病例[37]。口腔癌发病率上升是一个严峻的公共卫生问题，尤其在印度更为普遍。已知多种风险因素和潜在诱因，包括饮食不足、念珠菌感染、人乳头瘤病毒（HPV）、梅毒、口腔牙齿问题、烟草使用、吸烟和饮酒、病毒暴露以及长期接触致癌物质（如硫酸、甲醛、石棉）等[38][39]。口腔癌的典型症状（如声音嘶哑、牙齿松动、咀嚼困难、口腔内出现白色或红色斑块）通常出现在晚期。早期发现口腔癌对提高患者生存率和降低疾病相关死亡率至关重要。因此，迫切需要开发能够在早期阶段检测口腔癌的诊断工具。传统的诊断方法（如活检、激光显微切割、细胞病理学、正电子发射断层扫描（PET）和刷检）虽然有效，但只能在肿瘤显著生长（通常超过3厘米）后使用，且具有侵入性、痛苦、需要组织样本且费用昂贵[40]。因此，亟需开发新型诊断设备以克服这些局限性。电化学生物传感器因其高灵敏度和可靠性成为理想选择[23][41]。在选择生物标志物时，口腔癌患者样本中会分泌多种物质，如血管内皮生长因子（VEGF）、白细胞介素-6（IL-6）、白细胞介素-8（IL-8）和肿瘤坏死因子（TNF-α）等，但这些物质的分泌浓度较低，给检测带来挑战[42][43]。我们专注于唾液中的生物标志物，尤其是CYFRA-21-1，因为它在过去十年中表现出良好的检测潜力。CYFRA-21-1是一种来自角蛋白家族的蛋白质，分子量为40 kDa，是角蛋白-19的片段。健康志愿者的唾液中CYFRA-21-1浓度为3.8 ng/mL?1，而口腔癌患者的浓度可高达17.46 ± 1.46 ng/mL?1，检测灵敏度超过90%[45][46]。
本研究报道了一种基于碳纳米管和PEDOT:PSS的导电棉线生物传感器的制备方法，可特异性检测口腔癌生物标志物CYFRA-21-1。据我们所知，这是首次使用棉线作为电化学生物传感器基底来检测口腔癌的研究。该传感器具有优异的灵敏度和宽线性检测范围，同时具备可丢弃性，为非侵入性诊断口腔癌提供了有力工具。
化学物质和生物分子
碳纳米管（CNTs）、二水合磷酸二氢钠（NaH?PO?·2H?O）、二水合磷酸二钠（Na?HPO?·2H?O）、六氰合铁（II）酸钾三水合物（K?(Fe(CN)?·3H?O）、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS，质量百分比1.3%）、六氰合铁（III）酸钾（K?(Fe(CN)?)）、氯化钠（NaCl）和牛血清白蛋白（BSA）均购自印度Sigma Aldrich公司，所有化学品均为分析级。棉线和指甲油也为研究所需。
结构和形态学研究
为评估所购碳纳米管的纯度、结晶度和相结构，采用了X射线衍射（XRD）技术，结果如图1所示。衍射峰位于2θ = 26.30°和42.62°，分别对应CNT的（002）和（100）晶面。这些结果与JCPDS NO. 00–041-1487标准相符，证明所购材料为纯净的碳纳米管[52]（见图1）。
此外，还对其表面形态进行了观察。
结论
我们首次展示了基于棉线的新型免疫传感器，可快速灵敏地检测口腔癌生物标志物CYFRA-21-1。该传感器采用简单的浸涂法将碳纳米管（CNTs）和PEDOT:PSS结合在棉线上，表现出出色的电化学性能，包括极低的检测限（0.0005 ng/mL?1）、宽线性检测范围（0.001–70 ng/mL?1）以及高达98.79 μA的灵敏度。
CRediT作者贡献声明
潘卡杰（Pankaj）：负责撰写、审稿和编辑、原始稿件撰写、数据整理。
切坦·拉梅什·高瓦利（Chetan Ramesh Gawali）：项目管理、数据分析。
苏维恩·库马尔（Suveen Kumar）：数据可视化、验证、监督、资源协调和资金申请。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢艾哈迈达巴德国家药物教育与研究学院的领导支持，以及印度化学与肥料部提供的研究设施。潘卡杰和切坦·R·高瓦利还感谢该学院的制药部门提供的资助。SK感谢NIPER-Ahmedabad医疗器械中心（CMD/R&D/01-25/27）和Anusandhan国家研究基金会（ANRF-PMECRG）的支持。
