一种基于铜纳米线工程化薄膜晶体管传感器的微型化、用户友好的便携式心肌梗死监测平台

《Microchemical Journal》:Miniaturized, user-friendly portable monitoring platform for myocardial infarction by copper nanowire engineered thin-film transistor-based sensors

【字体: 时间:2025年11月22日 来源:Microchemical Journal 5.1

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  心肌梗死实时监测需高灵敏便携设备,铜纳米线修饰MXene材料提升有机薄膜晶体管传感器灵敏度至0.32 pg/mL,连续7周稳定性良好,临床样本验证显著区分患者与健康人(p=2.38E-08,AUC=0.992),实现可视化数据追踪。

  
Jinsong Tao|Jin Han|Weizhang Li|Hua Zhang|Junyou Cui
南通大学附属江阴医院心脏病科,中国江苏省江阴市寿山路163号,214400

摘要

心肌梗死(MI)是一种严重的心血管疾病,对人类健康构成重大威胁,因此需要高灵敏度和便携式的实时诊断技术。cTnI是心肌梗死的关键生物标志物,但其浓度较低且缺乏便携式检测设备,这带来了重大挑战。本研究采用经过MXene材料改性的铜纳米线(CuNWs)来提升有机薄膜晶体管(OTFTs)的性能。CuNWs的独特形态有助于离子和电子的传输,这一特性显著提高了OTFTs的信号传输能力和灵敏度。所开发的传感器灵敏度范围为1 pg/mL至1000 ng/mL,能够检测低至0.32 pg/mL的cTnI。在连续7周的监测中,传感器保持了稳定的信号值,表明其具有良好的重复性和长期稳定性。通过t检验,该传感器在心肌梗死患者和健康对照组之间显示出显著差异(p = 2.38E-08<0.05),ROC曲线下面积(AUC)为0.992,显示出卓越的诊断准确性。该设备能够实现数据信号的可视化和追踪,为未来的心血管疾病健康管理提供了一个有效的监测平台。

引言

心肌梗死(MI)是一种严重的心血管疾病,对人类健康构成重大威胁(图1a-b)[[1], [2], [3], [4]]。因此,实现有效的心肌梗死监测至关重要。然而,这一领域面临几个挑战:首先是如何实现低风险、高灵敏度的诊断[5,6];其次是如何以便捷和便携的方式实现实时诊断。cTnI是心肌梗死的关键生物标志物,被认为是最经典和权威的生物标志物[5,7]。然而,cTnI的检测主要遇到两个难题:一是其浓度较低,需要开发高灵敏度的检测方法;二是需要开发便携式检测设备。因此,开发一种高灵敏度且便携的cTnI检测策略对于监测心肌梗死至关重要。
目前用于心肌梗死(MI)诊断的临床方法,如心电图(ECG)和酶联免疫吸附测定(ELISA),存在固有的局限性:ECG对心肌梗死的特异性不足[8,9],而ELISA虽然具有高特异性,但需要集中实验室检测且周转时间较长[10,11]。因此,迫切需要结合高特异性和快速即时检测能力的诊断平台。有机薄膜晶体管(OTFTs)是一种有前景的生物传感技术,能够弥合这一差距[[12], [13], [14]]。凭借半导体材料固有的高灵敏度和信号放大能力[15],以及微型化和电读出的潜力[10,12],基于OTFT的传感器可以在即时检测的同时提供ELISA级别的特异性。这不仅使OTFTs成为一种替代方案,而且为心血管疾病的早期诊断和长期管理提供了一种变革性的方法。
MXene材料作为一种高灵敏度的过渡金属材料,具有优异的电子迁移率[[16], [17], [18]],能够有效促进薄膜晶体管中的信号放大,使其成为此类晶体管的理想材料。此外,还可以进一步增强薄膜晶体管表面的信号强度[19,20]。铜纳米线(CuNWs)具有独特的形态和良好的导电性,有助于离子和电子的传输[21,22],从而有效提高OTFTs的迁移率并进一步提升灵敏度[[23], [24], [25]]。因此,将CuNW改性的MXene材料应用于OTFTs有望开发出更灵敏、更便携的心肌梗死监测设备。
本研究报道了一种用于心肌梗死检测的CuNW改性OTFT。该传感器的灵敏度范围为1 pg/mL至1000 ng/mL,能够有效检测低至0.32 pg/mL的cTnI。传感器在7周内表现出稳定的信号,并具有良好的重复性(RSD = 0.62%)。在临床应用中,我们从31名AMI患者和26名健康个体中收集了样本,证明该设备在t检验(p = 2.38E-08<0.05)和ROC曲线分析(AUC = 0.992)中表现良好。重要的是,我们利用该设备实现了数据信号的可视化和追踪(图1c),这有助于临床心肌梗死的诊断。我们希望这一策略能为未来的心血管疾病健康管理提供一个有效的监测平台(图1d-e)。

部分内容摘录

样本采集和试剂

在从31名AMI患者和26名健康个体中采集血清样本的过程中,我们严格遵循详细的方案,以确保样本采集和处理的标准化和可靠性。首先,我们选择了符合诊断标准的受试者,并确保他们在采集前至少禁食8小时[26,27]。使用无菌采血针和试管,我们从受试者的静脉中采集血液样本,并立即进行

MX@CuNWs@OTFTs半导体材料的表征

考虑到MX@CuNWs@OTFTs的检测性能,所使用的半导体材料对其灵敏度起着关键作用。因此,我们选择了经过铜纳米线改性的MXene作为有机薄膜晶体管传感器的材料(图1a-b)。首先,我们使用抗坏血酸还原氯化铜来合成导电铜纳米线(图1a),并通过TEM对其形态进行了表征,结果显示平均尺寸约为

MXene@CuNWs辅助传感器的性能和临床应用潜力

本研究成功开发了一种基于铜纳米线(CuNWs)改性的薄膜晶体管(OTFTs)传感器,用于实时监测心肌梗死(MI)中的cTnI[29,30,41]。通过使用CuNWs和MXene材料,我们显著提高了OTFTs的灵敏度和迁移率(图S4, 2c-d)。该传感器在1 pg/mL至1000 ng/mL的范围内表现出高灵敏度,能够检测低至0.32 pg/mL的cTnI。在连续使用7周后

结论

本研究介绍了一种新型传感器,该传感器利用经过MXene材料改性的铜纳米线(CuNWs)来提升有机薄膜晶体管(OTFTs)的性能。CuNWs的独特形态促进了高效的离子和电子传输,显著提高了OTFTs的迁移率和灵敏度。传感器在1 pg/mL至1000 ng/mL的范围内表现出高灵敏度,能够检测低至0.32 pg/mL的cTnI。在连续7周的监测中,传感器

CRediT作者贡献声明

Jinsong Tao:概念设计。Jin Han:正式分析。Weizhang Li:数据管理。Hua Zhang:正式分析。Junyou Cui:撰写、审阅和编辑。

伦理批准

所有人体实验方案均获得了江阴人民医院伦理委员会的批准(2025KY-KY044–01)。所有实验均按照相关指南和规定进行。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中国科技创新2030重大项目(2024ZD0524400)和重点专科建设 - 心脏病科(ZK2020-001A)的支持。
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