电化学工程制备用于无标记降钙素原(Procalcitonin, PCT)检测的PEDOT:PSS/MXene复合电极

《Advanced Materials Interfaces》：Electrochemically Engineered PEDOT:PSS/MXene Composite Electrode for the Label-Free Procalcitonin Detection

　　

摘要：降钙素原（Procalcitonin, PCT）是细菌感染有价值的但具挑战性的生物标志物，传统检测方法受限于较长的分析时间。电化学技术提供了更快速简便的替代方案，但面临电极污损(biofouling)及灵敏度与选择性有限等问题。为解决这些问题，研究人员开发了一种采用高导电二维材料即Ti3C2TxMXene与聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS)）复合的传感器，作为PCT抗体直接固定的理想微环境，并以牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin, BSA）包被提供抗污活性。所得到的BSA/Ab-PEDOT:PSS/MXene基传感器具有较宽的PCT检测范围（25–250 pg mL?1）和低检测限（4.4 pg mL?1）。该传感器有望作为一种快速、简便的工具用于细菌性感染或脓毒症的诊断，实现及时诊断并改善患者预后。

论文解读：电化学工程制备PEDOT:PSS/MXene复合电极用于无标记降钙素原(PCT)检测

研究背景与意义

脓毒症（Sepsis）是由细菌感染引起的全身炎症反应，可导致器官功能障碍及高死亡率。降钙素原（Procalcitonin, PCT）是诊断细菌感染和脓毒症的可靠血清生物标志物，健康人血清PCT < 1 ng mL^?1，细菌感染时可升至 > 1.5 ng mL^?1。目前临床常用的酶联免疫吸附测定（Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA）和高性能液相色谱（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）法存在耗时长、操作复杂或设备昂贵等缺陷。电化学免疫传感器虽具备快速、灵敏优势，但在全血或血清中易受生物组分非特异吸附导致电极表面污损（Biofouling），引起灵敏度下降和检测范围受限。此外，单独使用二维过渡金属碳/氮化物（MXenes，此处指Ti₃C₂T_x）易氧化失活，而单纯导电聚合物膜可能导致界面电阻过大。因此，研究人员提出将高导电MXene与聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）复合，通过电化学沉积法制备新型免疫传感器界面，以期协同提升导电性、抗污性及抗体固定效率，实现对PCT的快速、无标记、高灵敏检测。本研究发表于《Advanced Materials Interfaces》。

主要关键技术方法

研究人员首先通过HCl/LiF原位生成HF蚀刻Ti₃AlC₂MAX相制备少层Ti₃C₂T_xMXene分散液；将MXene滴涂于丝网印刷碳电极（Screen-Printed Carbon electrode, SPC）表面，采用循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）在含乙撑二氧噻吩（3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT）及聚(4-苯乙烯磺酸)钠（Sodium Poly(4-styrenesulfonate), NaPSS）的溶液中电聚合形成PEDOT:PSS/MXene复合膜；随后物理吸附固定PCT单克隆抗体（Antibody, Ab），以2% BSA封闭非特异性位点制得BSA/Ab-PEDOT:PSS/MXene/SPC传感器。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征材料结构与修饰过程；利用电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS，[Fe(CN)₆]^3?/4?为探针）及扫描电化学显微镜（Scanning Electrochemical Microscope, SECM）评估界面电子传递、传感性能及抗污特性；以不同浓度PCT孵育30 min后测EIS，以ΔR_CT（电荷转移电阻变化值）定量，并考察选择性（干扰物为C-reactive protein, CRP及BSA）、存储稳定性及在5%人血清中的抗污能力。

研究结果

2.1 Electrode Modification With MXene and PEDOT:PSS

XRD证实MAX相中Al层被刻蚀，Ti₃C₂T_x(002)面间距由9.3 ?增大至14.4 ?，SEM显示MXene片层约300 nm且呈半透明少层结构。循环伏安显示EDOT在MXene/SPC上氧化电位（0.9 V vs. SCE）低于裸SPC（1.1 V vs. SCE），氧化电流密度更高（5.10 mA cm^?2），表明MXene负电表面促进EDOT^·+阳离子自由基相互作用并增大电活性面积。首圈CV中出现MXene氧化峰（+0.75 V)，随聚合物包覆消失，说明PEDOT:PSS抑制了Ti₃C₂T_x过度氧化。

2.2 Spectroscopic Investigation of PEDOT:PSS/MXene Composite

Raman光谱显示PEDOT:PSS/MXene/GC在1434 cm^?1（醌式结构，导电形态）峰强增强，苯式结构（1449 cm^?1）减弱，表明MXene负电荷诱导PEDOT向高导电醌式结构转化且该结构30天保持稳定。XPS检测到C、O、S元素且无Ti峰，证实PEDOT:PSS完整覆盖MXene；S 2p谱中PSS^?峰弱于PEDOT⁺，提示MXene部分充当对离子。FTIR在抗体固定后出现酰胺I（C=O, 1645 cm^?1）和酰胺II（N–H, 1540 cm^?1）特征峰，BSA封闭后上述峰保留并出现BSA特征峰，确证Ab及BSA成功固载。

2.3 Surface Characterization Upon Antibody Immobilization

SEM显示PEDOT:PSS/MXene/SPC呈多孔不规则颗粒形貌，抗体固定及BSA封闭后表面被均匀亲水层覆盖；PCT孵育后可见多孔抗原膜吸附，传感后电极形貌与新鲜传感器相似，表明修饰层结构稳定、具备机械完整性。

2.4 Electrochemical Study of the Sensor Electrode

EIS拟合Randles等效电路显示：裸SPC的R_ct= 1323 Ω cm^?2，单纯PEDOT:PSS/SPC为2733 Ω cm^?2（厚膜及负电荷排斥[Fe(CN)₆]^3?/4?使电阻升高），MXene/SPC为51 Ω cm^?2，BSA/Ab-PEDOT:PSS/MXene/SPC为222 Ω cm^?2。MXene大幅降低电荷转移电阻，复合膜在引入生物识别层后仍维持良好电子传递能力。

2.5 Electrochemical PCT Sensor Performance

随PCT浓度增加（25–250 pg mL^?1），抗原-抗体结合形成绝缘生物层使R_ct升高，ΔR_ct与PCT浓度呈线性相关（R²=0.949），灵敏度5.737 Ω pg^?1mL，检出限（Limit of Detection, LOD）= 3σ/S = 4.4 pg mL^?1。总检测时间30 min。与文献对比，该传感器在较短检测时间内获得较低LOD且无需昂贵纳米材料（如金纳米粒子、量子点等），并在人血清（Human Serum, HS）中验证。

2.6 Selectivity and Storage Stability

加入高浓度干扰物BSA（2%）和C反应蛋白（C-Reactive Protein, CRP, 50 μg mL^?1）对200 pg mL^?1PCT检测的ΔR_ct无显著影响，表明传感器选择性良好。4℃氮气密封保存30天后，响应保留约132%（4℃）和143%（室温），显示良好存储稳定性。

2.7 Antifouling Characteristics

在含5%人血清的PCT溶液中孵育，BSA/Ab-PEDOT:PSS/MXene/SPC相对电荷保持率（85% ± 0.6%，120 min内）显著高于无PEDOT:PSS保护的BSA/Ab/MXene/SPC（71% ± 3.6%），说明PEDOT:PSS层有效减少非特异吸附。SECM显示PEDOT:PSS/MXene基底初始尖端电流更高（16.8 nA vs 7.4 nA），PCT/血清孵育后尖端电流下降更明显，证实复合界面介体再生能力强且特异性结合导致扩散阻挡增加，抗污性能优于单纯MXene表面。

讨论与结论总结（翻译结论部分）

研究人员开发了一种稳定、简便的在丝网印刷电极上制备PEDOT:PSS/MXene修饰层的方法，所得复合电极相比BSA/Ab/MXene/SPC在超过2小时内表现出更优的抗生物污损性能。BSA/Ab–PEDOT:PSS/MXene/SPC电极可在约30分钟内成功检测PCT，线性范围25–250 pg mL^?1，LOD达4.4 pg mL^?1。该高性能源于Ti₃C₂T_xMXene与PEDOT:PSS的协同作用：带负电MXene在电聚合过程中部分掺杂PEDOT，增强导电性并稳定聚合物环内电子离域；同时PEDOT抑制MXene表面氧化，保持其本征电导率。MXene–PEDOT:PSS复合材料为抗体固定提供了有利平台，并促进抗体–抗原界面电子传递；复合表面与抗体间的静电相互作用免去交联剂的使用且维持高结合特异性。此外，尽管MXene按克计价较高，但单片电极用量极少（约5–15 μg），显著降低总成本。因此，所提出的PCT传感平台在床旁诊断（Point-Of-Care Testing, POCT）、细菌感染监测及疾病筛查方面具有良好的应用前景。