一种基于比率计原理的印迹电化学传感器，用于在生物流体中实现高灵敏度和高特异性的褪黑素检测

《Talanta》：A ratiometric imprinted electrochemical sensor for highly sensitive and specific melatonin detection in biofluids

褪黑素检测的电化学传感器研究：采用MXene与金纳米簇构建的分子印迹聚合物比色传感器，通过普鲁士蓝内参考实现低至3.78 nM检测限，成功用于唾液、尿液、血清及大鼠组织间液等生物样本检测，与ELISA方法结果一致，为临床实时监测提供新策略

　　这项研究提出了一种基于分子印迹聚合物（MIP）的比率型电化学传感器，用于对褪黑素（MT）进行高灵敏度和高选择性的检测。褪黑素是一种重要的神经激素，主要由松果体分泌，具有明显的昼夜节律性。在临床诊断、生理学以及神经科学研究中，褪黑素的测定具有重要意义。然而，由于其在生物系统中的内源性浓度较低，且容易受到基质干扰，因此迫切需要开发具有更高灵敏度和特异性的生物传感器。本文所提出的比率型传感器通过结合MIP的分子识别能力与电化学技术的优势，实现了对褪黑素的精准检测。

在传感器的制备过程中，首先对丝网印刷电极（SPE）进行修饰，使用MXene和金纳米簇（AuNCs）来提升电极的导电性能。随后，普鲁士蓝（PB）和褪黑素印迹的MIP薄膜依次在修饰后的电极表面进行电聚合，构建出一种比率型传感器。这种设计旨在减少背景信号的干扰，提高检测的灵敏度。该传感器在面对常见的干扰物质时表现出良好的选择性，其检测范围从5 nM到50 μM，检测限为3.78 nM（信噪比S/N=3）。此外，该传感器还具有出色的重复性和可再生性，能够稳定地用于实际样品的检测。

实验结果显示，该传感器可以成功地在唾液、尿液和血清样本中定量检测褪黑素，其结果与标准的酶联免疫吸附测定（ELISA）方法高度一致。这表明该传感器在实际应用中具有可靠的性能。进一步的研究表明，该传感器还可以用于监测大鼠间质液（ISF）和血浆中的褪黑素水平，揭示了这两种液体在注射外源性褪黑素后之间存在的显著相关性。这些结果表明，该传感器不仅适用于实验室研究，还具备在临床诊断中快速、便捷检测褪黑素的潜力。

本研究的主要创新点在于以下几个方面：首先，通过结合MXene和金纳米簇等纳米材料与分子印迹技术，显著提高了传感器的灵敏度和选择性。其次，引入普鲁士蓝作为内部参考信号，利用比率型电化学检测方法有效减少了背景信号的干扰，从而进一步提升了褪黑素的检测灵敏度，并实现了更低的检测限。第三，该传感器成功地在多种体液中检测褪黑素，包括唾液、尿液、血清、血浆和间质液，展示了其在复杂生物样本中的广泛适用性。

在实际应用中，褪黑素作为一种重要的生物标志物，其浓度变化可以反映多种病理状态。近年来，褪黑素在癌症治疗中的免疫调节作用以及在帕金森病和阿尔茨海默病中的神经保护作用也逐渐受到关注。因此，对褪黑素的准确检测对于疾病的诊断和治疗具有重要意义。然而，传统的检测方法，如高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）、气相色谱-质谱（GC-MS）、荧光光谱、紫外荧光检测与毛细管电泳联用、放射免疫分析（RIA）和ELISA等，虽然具有较高的灵敏度和特异性，但通常需要复杂的预处理步骤，包括样品提取和使用有机溶剂进行分离，这不仅增加了检测的时间成本，还带来了环境污染的问题。相比之下，电化学检测方法具有成本低、操作简便、分析速度快等优势，但现有的电化学方法在检测褪黑素时通常需要较高的工作电位，这可能导致其他容易氧化的物质的干扰，从而影响检测的特异性。

为了克服这些挑战，研究人员开始探索将分子印迹技术与电化学检测方法相结合的策略。分子印迹聚合物是一种具有三维交联结构的高分子材料，能够对特定的分子模板形成特异性的结合位点。这种材料的合成过程通常包括将交联单体与功能单体-模板复合物进行共聚，随后通过去除模板，形成具有特定尺寸、形状和功能基团取向的空腔。这些空腔能够通过分子间的相互作用选择性地结合目标分析物，从而实现高特异性的检测。通过将MIP与电化学平台相结合，研究人员能够开发出具有高选择性的传感器，用于特定目标分子的识别。

然而，传统的单信号电化学传感器在面对复杂样品时容易受到环境因素和电极变化的影响，导致检测结果不稳定。比率型检测策略通过引入内部参考探针，利用双氧化还原峰的强度比来提高检测的灵敏度、准确性和抗干扰能力。内部参考探针的选择是比率型传感器设计的关键。常见的参考探针包括亚甲基蓝、铁氰化物、普鲁士蓝和聚硫代氨基等。例如，Yang等人开发了一种基于聚硫代氨基修饰的多孔金电极的电化学传感器，用于选择性检测多巴胺，其检测范围为0.3-100 μM，检测限为0.1 μM。Xu等人则开发了一种基于普鲁士蓝作为信号指示剂、MOF纳米复合物作为高效信号放大器的夹心型电化学免疫传感器，该传感器具有宽广的线性范围（0.1-80 ng/mL）和较低的检测限（0.02 ng/mL）。

考虑到褪黑素在裸电极上具有较弱的电化学活性，研究人员开发了多种功能材料，如导电聚合物、金属纳米颗粒、碳纳米材料及其复合物，以增强传感器的性能。其中，MXene因其层状结构和丰富的功能基团而具有较高的导电性，而金纳米簇则因其优异的催化活性而被广泛应用于传感领域。这些纳米材料的结合使得传感器能够实现高灵敏度和高选择性的检测。本文所提出的传感器通过将MXene和金纳米簇作为导电载体，普鲁士蓝作为内部参考，以及褪黑素作为模板分子，进一步提升了检测性能。

为了验证该传感器的成功制备，研究人员对其制备过程进行了分步表征，包括扫描电子显微镜（SEM）分析。结果表明，该传感器在多种生物样本中的检测性能稳定，能够提供可靠的定量结果。此外，该传感器在实际应用中表现出良好的重现性和可再生性，能够多次用于检测。这些特性使得该传感器在实际应用中具有较高的可行性。

综上所述，本文所提出的比率型电化学传感器在褪黑素检测方面具有显著的优势。通过结合分子印迹技术与电化学检测方法，该传感器能够实现高灵敏度和高选择性的检测，适用于多种生物样本。该研究不仅为褪黑素的检测提供了新的方法，还为未来在临床诊断中实现快速、便捷的点对点检测提供了可能性。同时，该传感器的设计思路也为其他生物分子的检测提供了借鉴，推动了生物传感器技术的发展。