基于优化后的丝网印刷碳电极与智能手机相结合的技术，开发了一种用于检测葡萄球菌肠毒素B的电化学免疫传感器

《Microchemical Journal》：Development of an electrochemical immunosensor for staphylococcal enterotoxin B based on a combination of optimized screen-printed carbon electrodes and smartphones

　　

黄文 pien|王杰创|郭义伦|吴国辉

台湾国防大学中兴科技学院化学与材料工程系，桃园33551

摘要

金黄色葡萄球菌产生的肠毒素B（SEB）是一种具有极高热稳定性的毒素。SEB不仅经常在受污染的食物中检测到，还被列为生物恐怖主义中使用的致残性物质。因此，快速、准确且灵敏的现场检测SEB对于维护安全和有效的食品供应与环境至关重要。在本研究中，我们使用冷冻干燥方法制备了一种改良电极。在制备过程中，预处理的丝印碳电极（SPCE*）通过壳聚糖（CS）作为交联剂，与羧基化多壁碳纳米管/银纳米粒子/壳聚糖（cMWCNTAgCS）复合材料进行了改性。cMWCNTAgCS复合材料中的微应变和位错密度促进了电子传递和信号放大，从而提高了电极效率。此外，冷冻干燥方法不仅赋予了cMWCNTAgCS纳米复合材料更大的比表面积，还增加了银纳米粒子与抗SEB抗体（SAb）之间偶联反应的概率。在最佳条件下，SEB浓度对数与SEB免疫传感器的电流变化（ΔI.pa）之间存在正相关关系（相关系数R2 = 0.985），该范围为0.010–100 ng/mL SEB。检测限（LOD, 3σ）为4.00 pg/mL。I.pa电流的相对标准偏差（RSD）为1.02%。此外，“生化毒素检测应用”整合了网站上的地图和天气数据，生成可保存在智能手机上或通过电子邮件及其他通信平台分享的报告。因此，实现了即时传输、及时处理、高灵敏度、便携性和低成本的目标。

引言

金黄色葡萄球菌产生的肠毒素B（SEB）是一种具有极高热稳定性的毒素。当食物在富含碳水化合物和蛋白质的表面上生长时，容易产生肠毒素，需要将食物加热至100°C并持续2小时才能将其破坏[1]。因此，SEB经常在受污染的食物中被检测到。常见症状包括腹痛、腹泻、呕吐、恶心和头痛。如果不及时得到适当治疗，可能会导致脱水和败血症等致命并发症[2]。此外，由于其易于气溶胶化且非常稳定，SEB还被用作生物恐怖主义中的生物武器。由于其具有使士兵丧失战斗力的能力，它被归类为致残性毒剂[3]。因此，快速、准确、灵敏的现场检测SEB对于维护安全和有效的食品供应与环境至关重要。

目前检测葡萄球菌肠毒素的方法包括酶联免疫吸附测定（ELISA）[4],[5]、侧向流动免疫层析测定（LFIA）[6],[7]、聚合酶链反应（PCR）[8],[9]、液相色谱-串联质谱（LC–MS/MS）[10],[11]和电化学免疫测定[12]。其中，电化学免疫测定是一种利用抗体通过测量产生的电信号来检测特定目标物质（或抗原）的方法。这种方法具有高灵敏度、速度快、成本低、易于微型化和便携等优点，这些特点使其非常适合开发即时诊断设备。丝印碳电极（SPCEs）是低成本的一次性电化学传感器，可以有效替代昂贵的传统电极。为了提高SPCEs的灵敏度和抗原-抗体相互作用，已使用氧化石墨烯[13],[14]、还原氧化石墨烯[15],[16]、碳纳米管[17],[18]和金属纳米粒子[20],[21],[22]对工作电极进行改性。

随着智能手机功能的增强和普及，它们不仅可以用于通过Android Studio或Xcode开发应用程序，还可以利用其内置的GPS定位和互联网搜索功能。智能手机已成为开发便携式实时检测系统的最佳工具之一[23],[24]。

在本研究中，我们使用冷冻干燥方法制备了一种改良电极。这种新策略具有两个显著优点：(i) 提高电极效率；(ii) 增加抗SEB抗体（SAb）与银纳米粒子（AgNPs）之间偶联反应的概率。此外，我们还成功开发了一个基于智能手机的“生化毒素检测应用”来转换数据并记录结果。该系统整合了网站上的天气和地图数据，生成可保存在智能手机上或通过电子邮件及其他通信平台分享的报告。据我们所知，这是文献中首次将改良和优化的丝印碳电极与无线电位计和自主开发的“生化毒素检测应用”结合用于检测SEB的研究。

章节摘录

材料和试剂

三钠柠檬酸脱水的产物（Na?CA）、硝酸（HNO?，70%）、铁氰化钾（K?[Fe(CN)?]，99.7%）和硝酸银（AgNO?，99.9%）由J. T. Baker Chemical, Inc.（美国新泽西州）提供。冰醋酸（CH?COOH，>99.7%）、硼氢化钠（NaBH?，≥98%）、铁氰化钾（K?[Fe(CN)?]）、壳聚糖（中等分子量）和直径20–40 nm、长度5–15 mm的多壁碳纳米管（MWCNTs，>95%）由Sigma–Aldrich（美国密苏里州）提供。金黄色葡萄球菌肠毒素A

cMWCNTAgCS的表征

使用UV–可见光谱分析在200至800 nm范围内对AgNPs、cMWCNTs、cMWCNTAg和cMWCNTAgCS纳米复合材料进行了检测（图2a）。AgNPs的光谱在387 nm处显示出一个主要峰，这是由于表面等离子体共振（SPR）现象。cMWCNTs在255 nm处显示出一个明显峰，这是由于芳香C< />

结论

在本研究中，我们结合了cMWCNTs、AgNPs和CS的优点，通过冷冻干燥技术制备了一种对SEB敏感的电化学免疫传感器。其主要功能有两个：首先，根据XRD分析结果，cMWCNTAgCS薄膜通过增加电子传递和放大信号来提高电极效率；其次，冷冻干燥有助于改善银纳米粒子与抗体之间的连接。在最佳条件下，

CRediT作者贡献声明

黄文 pien：撰写 – 审稿和编辑、撰写 – 原稿、方法论、数据整理、概念化。王杰创：研究、数据分析。郭义伦：研究、数据分析。吴国辉：验证、数据整理。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务关系/个人关系：黄文 pien报告称获得了国家科学技术委员会的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务关系或个人关系。

致谢

作者感谢国家科学技术委员会对本工作的支持。（MOST 110-2222-E-606-001）。