一种便携且多功能基于rGO-Co3O4-Pt纳米复合材料的电化学传感器，可用于体外和体内心脏氧化应激的监测

《Nanoscale》：A portable and versatile rGO-Co3O4-Pt nanocomposite-based electrochemical sensor for ex vivo and in vivo cardiac oxidative stress monitoring

基于rGO-Co3O4-Pt纳米复合材料的便携式电化学传感器，灵敏检测H2O2并验证DOX诱导心脏毒性中的氧化应激，适用于体外细胞和体内小鼠模型，线性范围0-2.5 μM，检测限160 nM。

　　这项研究围绕着如何更有效地检测活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）和过氧化氢（Hydrogen Peroxide, H?O?）展开，特别关注其在心血管疾病诊断和治疗监测中的应用潜力。ROS是细胞在正常代谢过程中产生的化学物质，主要包括超氧阴离子（O??）、过氧化氢（H?O?）、羟基自由基（·OH）和次氯酸根（ClO?）。这些分子在一定条件下可作为信号分子，参与细胞内的多种生理和病理反应。然而，当它们的浓度超过细胞的自我防御能力时，就会引发有害的氧化应激，从而损害细胞的大分子结构，如脂质、蛋白质和核酸，最终导致细胞功能障碍甚至死亡。这种氧化应激已被广泛认为是多种疾病（如癌症、神经退行性疾病和心血管疾病）发生发展的重要因素。

在心血管疾病中，氧化应激的作用尤为显著。它不仅直接影响心脏细胞，还会触发一系列炎症反应，进一步加剧疾病进展。例如，动脉粥样硬化、心肌梗死和心力衰竭等病症都与ROS水平异常有关。ROS的产生可以来自多种外部和内部因素，包括环境毒素、辐射、炎症以及某些药物，如化疗药物多柔比星（Doxorubicin, DOX）。DOX是一种高效的抗肿瘤药物，但其临床应用受到剂量依赖性和累积性心脏毒性限制，这种毒性常被称为“红恶魔”。DOX通过生成大量ROS，破坏细胞成分，导致线粒体功能障碍并激活凋亡途径，最终引发心脏功能异常，甚至急性心力衰竭。在单次或累积剂量为5–25 mg/kg时，DOX治疗后的死亡率可高达10–38%，并在化疗后两年内上升至50%。因此，早期检测ROS水平对于预防和干预DOX引起的毒性至关重要，为临床提供及时的治疗调整机会。

目前，ROS和H?O?的检测方法在灵敏度、选择性和实时响应方面仍存在不足，这限制了其在临床实践中的广泛应用。传统的检测技术如分光光度法、色谱法、表面增强拉曼散射（SERS）、化学发光和荧光法虽然在实验室环境中表现出色，但其操作复杂、成本高，难以满足实际应用中的需求。特别是对于H?O?这类具有较低浓度、短半衰期和高化学活性的物质，其检测在肿瘤组织中尤为困难。因此，开发一种更加高效、便捷且适用于现场检测（Point-of-Care, POC）的检测平台成为研究的重点。

在此背景下，研究团队提出了一种基于还原氧化石墨烯（rGO）、钴氧化物（Co?O?）和铂（Pt）纳米复合材料的新型电化学传感器。该传感器能够实现对H?O?的高灵敏度检测，其检测下限达到160 nM，线性范围可达2.50 μM。这种纳米复合材料不仅提升了检测的灵敏度和选择性，还增强了实时监测能力，使得其在生物样本分析中表现出良好的性能。该平台在DOX诱导的心脏毒性模型中进行了验证，包括HL-1细胞和C57BL/6J小鼠实验，结果显示其与基于MTT的ROS检测方法具有高度一致性。

该传感器的结构设计充分利用了rGO、Co?O?和Pt各自的优势。rGO作为支撑材料，具有高导电性、化学稳定性和较大的比表面积，有助于电子传递和提高整体性能。Co?O?则提供了良好的催化活性，能够促进ROS的电化学反应。Pt的引入进一步增强了反应动力学，提高了灵敏度。这种三元纳米复合材料通过协同作用，显著提升了H?O?的检测能力。研究团队还开发了一种便携式、可印刷的电化学检测设备，使其能够适用于实际的药理学研究和临床应用。

为了验证该平台的性能，研究团队对材料的形态和结构进行了详细表征，包括高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、选区电子衍射（SAED）和能量色散X射线光谱（EDS）。HRTEM图像显示了Co?O?的立方结构，而rGO-Co?O?复合材料中的Co?O?纳米颗粒均匀分散在rGO片层上，形成了稳定的复合结构。Pt纳米颗粒则被有效地修饰在Co?O?表面，进一步优化了催化活性。X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析结果表明，该纳米复合材料具有良好的晶体结构和元素组成，证实了其在电化学检测中的适用性。

在电化学性能评估方面，研究团队采用了循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）对裸电极和不同修饰电极进行了比较。结果表明，rGO-Co?O?-Pt修饰的电极表现出最高的电流响应和最小的电荷转移电阻，表明其具有更高效的电子传递和反应动力学。此外，通过方波伏安法（SWV）进一步验证了该平台在H?O?检测中的优越性，其检测限低至160 nM，线性范围可达2.5 μM，显示出出色的灵敏度和选择性。与其他已报道的H?O?传感器相比，该平台在生物相关环境下的应用能力尤为突出，不仅适用于细胞和组织样本，还能实现体内监测。

在选择性测试中，研究团队评估了该传感器对常见干扰物质（如对乙酰氨基酚、多巴胺、葡萄糖、抗坏血酸和叔丁基过氧化氢）的响应情况。结果显示，该传感器对H?O?表现出显著的高选择性，其他干扰物质的响应电流均低于H?O?的响应值，且在生理条件下的表现稳定。这表明该传感器能够有效区分正常与氧化应激状态下的细胞和组织样本，减少假阳性信号，提高检测可靠性。

为了进一步验证其在实际应用中的稳定性，研究团队还评估了该传感器的批次间重复性、可重复使用性和短期存储性能。实验结果表明，该平台在不同批次中表现出良好的一致性，电流响应的相对标准偏差（RSD）在1.1–3.3%之间，说明其制造过程具有较高的可重复性。此外，传感器在三次重复使用中仍能保持较高的检测能力，尽管存在部分电极污染或催化层轻微脱落，但其性能仍足以满足短期监测需求。短期存储测试也显示，该传感器在两天内仍能保持约91%的初始响应，说明其具有良好的短期稳定性。

在实际生物样本分析中，研究团队利用该平台对DOX处理后的HL-1心肌细胞和小鼠心脏组织进行了检测。结果表明，DOX处理显著增加了ROS水平，而该传感器能够准确捕捉这一变化，显示出其在体内和体外环境中的有效性。体外实验中，通过光荧光法和电化学法的对比，验证了该传感器与传统方法在检测结果上的一致性，证明了其在ROS研究和诊断中的可靠性。体内实验则进一步确认了该平台在监测H?O?水平方面的潜力，为研究ROS相关病理变化提供了有力工具。

该研究的成果不仅在心血管疾病领域具有重要意义，还为癌症治疗和糖尿病管理等其他疾病的诊断和监测提供了新的思路。通过实现对ROS的实时、高灵敏度检测，该平台有助于优化个体化治疗方案，提高药物疗效，同时降低不良反应的风险。此外，该技术还支持便携式设备的开发，使检测更加便捷，适合在资源有限的环境中使用，符合世界卫生组织（WHO）提出的ASSURED标准（可负担性、灵敏度、特异性、易用性、快速可靠、无需设备、可送达性）。

尽管该平台在实验室条件下表现出色，但其在临床应用中的长期生物相容性、组织留存与清除能力仍需进一步研究。研究团队指出，下一步工作将重点放在实现无线读取和延长连续监测时间上，以提升其实用性。此外，还需解决铂元素的潜在泄漏问题，确保其在体内环境中的安全性。未来的研究方向可能包括对更多疾病模型的验证，以及探索该技术在植入式传感器中的应用，以推动其在精准医疗和个性化治疗中的广泛应用。

总体而言，这项研究为ROS的检测提供了新的技术手段，尤其是在心血管疾病、癌症治疗和糖尿病管理等领域。通过结合纳米材料与电化学技术，研究团队开发了一种具有高灵敏度、选择性和便携性的检测平台，为未来在临床和科研中的实际应用奠定了基础。该成果不仅有助于理解ROS在疾病发生发展中的作用，还为开发新型诊断工具和治疗策略提供了科学依据。