一种多功能纸质平台，结合了CuCo2O4纳米酶和MB/N-Mo2C复合材料，用于炎症生物标志物的双模式检测

《Journal of Materials Science & Technology》：Multifunctional paper-based platform with CuCo 2O 4 nanozyme and MB/N-Mo 2C composites for dual-mode detection of inflammatory biomarkers

CRP分子印迹微流控传感器通过集成电化学与比色双模检测，采用旋转阀精准控制试剂流向，实现高灵敏度和选择性CRP检测，适用于骨科炎症监测及资源有限场景的点检需求。

　　CRP，即C反应蛋白，是一种在炎症反应中起关键作用的生物标志物，广泛应用于临床诊断与疾病监测中，特别是在骨科领域。它能够帮助医生检测炎症、评估疾病进展以及监控治疗效果。研究表明，CRP水平的波动与多种骨科疾病密切相关，如骨折、关节炎和骨感染等。此外，CRP在心血管风险评估中也具有重要价值，其基础水平超过3 mg/L与较高的心血管不良事件发生率独立相关，包括心肌梗死和缺血性中风。持续升高的CRP水平通常反映慢性全身性炎症或合并症（如糖尿病、自身免疫性疾病）的存在，这些因素会加剧内皮功能障碍并促进动脉粥样硬化。相反，CRP水平低于1 mg/L则与较低的心血管风险相关，表明炎症处于静止状态，血管内环境更为稳定。因此，实现CRP的快速、准确检测对于早期诊断、炎症监测以及优化治疗策略至关重要。

传统CRP检测方法，如酶联免疫吸附测定（ELISA）、散射比浊法和放射免疫分析（RIA）等，虽然在准确性方面表现良好，但通常需要昂贵的设备、复杂的操作流程以及较长的分析时间。此外，这些方法通常依赖专业人员操作，不适合快速、现场检测的需求。相比之下，新兴的CRP检测技术致力于解决传统方法的局限性，提供更加便携、用户友好的解决方案，使临床环境中能够快速获得检测结果。尽管在CRP检测领域取得了显著进展，特别是通过电化学传感器提高便携性，但这些方法大多依赖于基于适配体、抗体等生物识别元素的传感器，导致检测成本较高。同时，依赖单一模式检测使得系统在复杂样本基质中容易受到干扰，从而产生假阳性结果，限制了其更广泛的应用。

在这一背景下，微流控纸基分析设备（μPADs）因其独特的优点在分析检测领域受到广泛关注。纸张作为基底材料，不仅具有良好的生物相容性，还能够方便地进行多种功能基团的修饰，从而增强其化学性能，使其成为理想的分析平台。制造技术如蜡打印、光刻、绘制和压延等，使得纸基结构能够形成具有定义流动路径和功能区域的结构，适用于样本分离与检测。过去十年间，μPADs技术迅速发展，并在多个领域得到广泛应用。这些设备能够实现高效、低样本体积的现场检测，同时具备多种信号输出模式的集成能力。其中，结合颜色和电化学信号的双模式检测方法因其能够提供直观的视觉读数和高灵敏度的电信号响应，显著提升了检测的准确性与鲁棒性。电化学检测方法具有独特的优势，包括对外部光源的独立性、高信噪比以及良好的可控性，使其在快速诊断方面展现出巨大潜力。基于纸张的电化学传感器，借助这些优势，已成为快速、灵敏分析的重要工具。通过在单一平台上集成颜色和电化学信号，μPADs设备能够实现样本富集与检测的同时进行，简化了操作流程，提高了整体效率。此外，这种双模式策略在复杂样本基质中具有更广泛的应用潜力，有助于更可靠地监测目标分析物。

为了实现同时的视觉和定量检测，我们开发了一种便携的双模式纸基传感器，该传感器将颜色和电化学检测策略整合于同一平台。在电化学检测方面，我们采用了一种以甲基蓝（MB）修饰的氮掺杂空心钼碳（N-Mo?C）作为信号探针和放大材料。通过电聚合方法，以CRP为模板合成了一层MIPs（分子印迹聚合物），从而在电极表面形成具有选择性的识别位点。同时，在颜色检测方面，我们通过原位聚合方法在类过氧化物酶的CuCo?O?纳米酶表面引入了针对CRP的特异性识别位点，3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）则作为显色底物。为了防止两种检测路径之间的交叉干扰，我们在设备中引入了一个旋转阀，以控制试剂的流动顺序和方向。在操作过程中，CRP溶液首先被引入颜色检测区域，与印迹纳米酶复合物结合后，再流向MIP修饰的电化学工作电极。在孵育之后，旋转阀被旋转以隔离通道，随后加入过氧化氢（H?O?）以启动颜色反应。CRP与印迹位点的结合抑制了纳米酶的催化活性，并增加了电极界面的电阻，从而导致TMB氧化被抑制，MB的氧化还原电流减弱。通过同时采集电化学和颜色信号，这种双模式平台实现了CRP的快速、高灵敏度检测。该系统为骨科炎症的早期诊断和监测提供了有前景的方法，特别是在资源有限的环境中。

分子印迹聚合物（MIPs）是一种通过模板辅助聚合反应合成的识别材料，能够形成与目标分析物在形状和功能上互补的特异性结合位点。由于其高选择性、化学稳定性和可重复使用性，MIPs已被广泛应用于传感器开发中。与传统的抗体-抗原相互作用相比，MIPs表现出更长的保质期、更强的耐受性以及更高的成本效益，因为其合成过程不依赖于生物分子。MIPs在检测多种目标分析物方面已有大量应用，包括氨基酸、蛋白质、核苷酸衍生物、药物和食品污染物等。尽管MIPs展现出出色的分子识别能力，但它们缺乏内在的催化活性，这限制了其在催化检测系统中的应用。相比之下，纳米酶作为一种模仿天然酶功能的纳米材料，因其高催化效率、操作稳定性以及低成本而受到越来越多的关注。然而，传统纳米酶往往面临底物特异性差的问题，这使得它们在复杂样本基质中容易受到干扰。为了解决这一问题，分子印迹技术被引入到纳米酶设计中，使纳米酶表面能够引入选择性的识别位点。这一策略有效地结合了MIPs的识别精度与纳米酶的催化能力，从而提升了检测的选择性与分析性能。

同时，丝网印刷电极（SPEs）作为一种在电化学检测中广泛应用的平台，因其低成本、可扩展性及多功能性而备受青睐。将MIPs与SPEs结合，使得在电极表面能够原位形成高度有序且稳定的MIP薄膜，从而提供选择性的结合界面。这种方法具有操作简便、响应迅速和提高可重复性等优势。此外，将双信号读数（电化学与光学）结合到同一系统中，显著增强了检测的灵敏度和可靠性，使该系统在复杂的分析环境中更加适用。这种集成化设计不仅提高了检测的准确性，还使得设备在实际应用中更加灵活和高效。

本研究的创新之处在于，我们设计了一种双模式纸基微流控传感器，该传感器能够实现同时的颜色和电化学检测。这种传感器的开发不仅克服了传统单一模式检测的局限性，还结合了多种先进材料的优势，使其在实际应用中更加可靠和便捷。通过将MIPs、MB/N-Mo?C复合材料以及CuCo?O?纳米酶相结合，我们构建了一个具有高选择性和高灵敏度的检测系统。该系统能够在不同的样本基质中稳定运行，同时具备快速响应和可重复检测的能力，为临床诊断和疾病监测提供了新的可能性。

在实验过程中，我们首先对N-Mo?C和CuCo?O?纳米材料进行了制备和表征。N-Mo?C的制备过程包括将一定量的钼酸铵和尿素溶解在去离子水中，形成溶液A；随后将3-羟基酪胺盐酸盐溶解在无水乙醇中，形成溶液B。通过强力搅拌将溶液B加入溶液A，并使用氨水调节混合液的pH值至8.0。最终，将混合液转移至不锈钢反应器中，进行进一步的反应和处理。通过扫描电子显微镜（SEM）观察N-Mo?C的形态，结果显示其具有多孔球形结构，平均直径约为2 μm。在热处理过程中，有机配体的热分解导致球形结构部分坍塌，并形成了一些碎片。通过能谱分析（EDS）元素映射图像进一步确认了Mo、N和C元素在N-Mo?C中的均匀分布。这些表征结果为后续的检测性能评估提供了重要依据。

在颜色检测方面，我们通过原位聚合方法在CuCo?O?纳米酶表面引入了针对CRP的特异性识别位点。这一过程确保了纳米酶能够与CRP形成高度选择性的结合，从而提高检测的灵敏度和特异性。同时，使用TMB作为显色底物，使得颜色信号的生成更加直观和易于读取。通过将颜色和电化学信号结合，我们不仅提高了检测的准确性，还增强了系统的鲁棒性，使其能够在复杂样本基质中稳定运行。

此外，我们还引入了一个旋转阀，以控制试剂的流动顺序和方向，从而防止两种检测路径之间的交叉干扰。这一设计使得整个检测流程更加可控和高效，提高了系统的可靠性。在实际应用中，旋转阀能够确保试剂按照预设的顺序依次进入不同的检测区域，从而避免因试剂混合而导致的误判。这种创新设计不仅提升了检测的准确性，还使得设备更加适用于现场检测，特别是在资源有限的环境中。

通过实验验证，该双模式纸基微流控传感器在CRP检测中表现出优异的选择性、重复性和稳定性。实验结果表明，该系统能够在低浓度CRP样本中实现高灵敏度的检测，同时在高浓度样本中保持良好的线性响应。这种性能使得该系统不仅适用于实验室环境，还能够在现场快速检测中发挥重要作用。进一步的临床样本测试结果也证实了该方法的可靠性和实用性，表明其在实际应用中具有良好的前景。

本研究的成果为CRP检测提供了一种新的便携式、快速且可靠的解决方案。这种双模式传感器的开发不仅克服了传统方法的局限性，还结合了多种先进材料的优势，使其在实际应用中更加高效和稳定。该系统有望在骨科炎症的早期诊断和监测中发挥重要作用，特别是在资源有限的环境中，为临床医生提供更加便捷的检测工具。同时，该系统的推广和应用也可能对其他炎症相关疾病的诊断和监测产生积极影响，为未来的医疗技术发展提供新的思路和方向。

在实际应用中，该双模式传感器的便携性和快速响应能力使其能够适应不同场合的检测需求。特别是在移动医疗、偏远地区和基层医疗机构中，该系统能够提供即时的检测结果，从而提高诊断效率。此外，该系统的低成本和易操作性也使其更易于推广和使用，为更多患者提供可负担的检测服务。通过结合颜色和电化学信号，该系统不仅提高了检测的准确性，还增强了其在复杂样本基质中的适用性，使得检测结果更加可靠和稳定。

本研究的成果表明，通过分子印迹技术与纳米酶的结合，可以构建出具有高选择性和高灵敏度的检测系统。这种系统不仅适用于CRP的检测，还可能扩展到其他生物标志物的检测中，为多种疾病的诊断和监测提供新的解决方案。同时，该系统的设计理念也为未来的微流控传感器开发提供了参考，使得更多研究人员能够借鉴这一方法，开发出更加高效的检测设备。这种跨学科的结合不仅推动了分析化学的发展，也为临床医学提供了新的技术支持。

综上所述，本研究开发的便携式双模式纸基微流控传感器在CRP检测中表现出优异的性能，为骨科炎症的早期诊断和监测提供了新的方法。该系统结合了分子印迹技术、电化学检测和颜色检测的优势，使其在实际应用中更加可靠和高效。同时，该系统的低成本和易操作性也使其更易于推广和使用，为更多患者提供可负担的检测服务。通过进一步的研究和优化，该系统有望在更广泛的临床环境中得到应用，为精准医疗和快速诊断提供有力支持。