《Bioelectrochemistry》：Electrochemical lateral flow assay for SARS-CoV-2 IgG detection utilizing PEGylated gold-decorated Iron oxide nanoplatforms
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Ezgi Ayn?|Ehsan Sanattalab|Dilek ?am-Derin|Enes Gültekin|Aleyna Y?ld?z|Serdar ?anl?|Nimet Y?ld?r?m-Tirgil土耳其安卡拉Y?ld?r?m Beyaz?t大学工程与自然科学学院冶金
Ezgi Ayn?|Ehsan Sanattalab|Dilek ?am-Derin|Enes Gültekin|Aleyna Y?ld?z|Serdar ?anl?|Nimet Y?ld?r?m-Tirgil
土耳其安卡拉Y?ld?r?m Beyaz?t大学工程与自然科学学院冶金与材料工程系
摘要
本研究详细介绍了用于检测SARS-CoV-2免疫球蛋白G（IgG）的高灵敏度电化学侧向流动分析方法（ELFA）的开发过程。该方法利用了新型聚乙二醇（PEG）包覆的Fe?O?纳米颗粒（Fe?O?@PEG@Au）作为电化学标记物，并与定制的丝网印刷电极（c-SPEs）结合使用。Fe?O?@PEG@Au纳米平台通过水热法合成，并通过扫描电子显微镜（SEM）、能量分散X射线光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和动态光散射（DLS）等技术进行了全面表征，证实了其成功制备以及与铁茂羧酸（Fc）的共轭。优化后的ELFA在缓冲液中表现出灵敏且可靠的IgG检测能力，使用四硼酸钠时效果最佳。关键在于，该方法在复杂的人体血清样本中仍具有强大的检测能力，尤其是在基质效应被最小化的稀释样本中。与商业快速侧向流动分析方法和金标准ELISA方法相比，在人体血清中的检测结果相当。这项研究展示了Fe?O?@PEG@Au纳米平台在电化学LFAs中的巨大潜力，为快速、灵敏和可靠的SARS-CoV-2 IgG诊断提供了新的途径。
引言
检测IgG对于诊断多种疾病至关重要，因为它在免疫系统中起着关键作用[1]。传统方法如酶联免疫吸附测定（ELISA）[2] [3]被广泛使用，但它们通常需要较长时间且样品制备复杂[4]。近年来，纳米技术促进了更快、更灵敏检测方法的发展。基于磁性的纳米平台，特别是利用氧化铁纳米颗粒的平台，已成为一种流行的选择[5]。氧化铁纳米颗粒具有超顺磁性，在外部磁场作用下易于操控且不会残留磁性[6]。这一特性使得可以从复杂的生物样本中分离和浓缩目标分析物，从而提高检测灵敏度。此外，氧化铁纳米颗粒表面可以很容易地修饰各种功能基团[7]，便于与抗体[8] [9]、肽[10]或核酸[11]等分子结合，实现对目标分析物（如IgG）的特异性[6] [12]。为了提高氧化铁纳米颗粒在生物系统中的稳定性和功能，经常对其进行表面修饰。PEG是一种常用的纳米颗粒涂层材料，因为它能增加亲水性、减少非特异性结合，并延长在体内的循环时间。研究表明，PEG化氧化铁纳米颗粒可提高其生物相容性并减少调理作用，使其更适合生物传感应用[13] [14]。在氧化铁纳米颗粒表面掺入贵金属（如金）可进一步增强其生物传感能力[15]。Fe?O?@Au核壳结构的形成结合了氧化铁纳米颗粒的磁性和金纳米颗粒的等离子体特性，形成了兼具磁操控性和光学检测（如表面等离子体共振SPR）功能的混合结构[18]。金壳层还为固定含巯基的生物分子提供了便利的表面[19]，从而提高了生物传感器的特异性和灵敏度[20]。将PEG和金结合到氧化铁纳米颗粒上，形成了Fe?O?@PEG@Au纳米结构，结合了两种涂层的优点，表现出更好的胶体稳定性、减少非特异性相互作用和提高生物结合效率。这些多功能纳米平台是复杂生物传感应用的理想候选者[21] [22] [23]。
侧向流动分析（LFAs）被广泛用作快速、用户友好的各种分析物检测的即时诊断工具[24]。为了提高其灵敏度和定量能力，人们探索了将基于磁性的纳米平台整合到这些分析方法中[25]。例如，Fe?O?@Au纳米颗粒已被用作LFAs中的标记物，利用其磁性进行信号放大，并利用其等离子体特性进行可视化读数。这种方法能够在复杂样本中快速、灵敏地检测IgG，展示了基于磁性的纳米平台提升LFAs性能的潜力[26] [27]。电化学生物传感器是另一种利用磁性纳米平台的有前景的方法。金包覆的氧化铁纳米颗粒的导电性促进了电化学信号转导所需的电子转移过程。研究表明，掺入金的纳米颗粒可以成功整合到丝网印刷电极中，用于IgG的电化学检测[28]。缓冲液的选择（如柠檬酸缓冲的硼酸钠或磷酸盐缓冲盐水PBS）对生物传感器的电化学性能至关重要。优化这些条件对于实现高灵敏度和特异性检测至关重要[29]。将氧化还原活性分子（如铁茂衍生物）与纳米平台结合，为生物传感器增加了额外的功能。例如，氨基铁茂可以与刺突蛋白[30]结合，然后附着在磁性纳米颗粒上[31]，从而在目标结合时产生电化学信号。类似地，铁茂羧酸（Fc）可用于功能化纳米平台，作为氧化还原活性标记物以放大信号。这些策略提高了电化学生物传感器的灵敏度，使得能够检测低丰度的分析物（如IgG）[32]。此外，在使用血清等复杂生物流体时，蛋白质、电解质和其他生物分子的存在可能会干扰生物传感器的性能。血清中含有高浓度的白蛋白、球蛋白和各种离子，可能导致非特异性吸附[33]到纳米颗粒表面，从而影响信号稳定性和特异性[34]。为了解决这些问题，表面修饰（如PEG化）可以减少蛋白质污染，提高传感器的准确性和重复性。此外，血清的离子强度和pH值也会影响生物传感器的电化学响应。研究表明，血清中的氯离子会影响金包覆纳米颗粒的稳定性，而pH值的变化会改变铁茂等结合分子的氧化还原行为[35] [36]。优化缓冲条件并使用阻断剂可以最小化这些影响，确保从血清样本中可靠地检测IgG。在LFAs的背景下，血清的粘度和组成会影响试剂的毛细流动，从而影响检测灵敏度[37] [38]。整合磁性纳米颗粒可以实现目标分析物的预浓缩，即使在复杂的血清基质中也能增强信号强度。这种方法提高了检测限，使得临床诊断中IgG的定量更加精确[39]。在本研究中，我们合成了PEG包覆的氧化铁纳米平台，并在其表面修饰了金纳米颗粒（Fe?O?@PEG@Au），用于电化学检测SARS-CoV-2感染后的IgG。我们评估了其在不同介质中的性能，并优化了铁茂羧酸（Fc）与纳米平台及刺突蛋白的结合。这些纳米平台通过丝网印刷电极整合到LFAs中，以提高检测灵敏度。我们的发现为开发用于即时诊断的电化学生物传感器提供了宝贵的见解。
部分摘录
材料
铁茂羧酸（Fc）（纯度98%，ABCR）、三氯化铁、硫酸亚铁、PEG 600、二甲基亚砜（DMSO）、1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亚胺（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、SARS-CoV-2刺突RBD蛋白（UNSPSC代码：51201600）、抗人IgG抗体（UNSPSC代码：12352203）、抗SARS-CoV-2刺突蛋白S1结构域（UNSPSC代码：12352203）、人血清（H4522）、20×柠檬酸钠缓冲液（SSC，pH 7.0）、10×磷酸盐缓冲盐水（PBS，pH 7.4）和10×钠
扫描电子显微镜（SEM）分析
扫描电子显微镜（SEM）和能量分散X射线光谱（EDS）分析的结果提供了对合成纳米结构的全面了解。SEM图像显示纳米结构大小和形状均匀，每种成分都有独特的表面特征。Fe?O?纳米颗粒呈球形且相对光滑。经过PEG修饰后，纳米颗粒保持了形状，尽管尺寸略有增加
结论
总之，本研究成功开发了一种新型ELFA，用于快速、灵敏地检测SARS-CoV-2 IgG。该系统的核心在于创新的Fe?O?@PEG@Au设计，结合了定制的丝网印刷电极（c-SPE）。这种多功能纳米平台利用了Fe?O?的固有磁性、金的增强电化学活性以及PEG化带来的优异生物相容性和稳定性，表现出整体上的优越性
CRediT作者贡献声明
Ezgi Ayn?：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、方法学、形式分析。Ehsan Sanattalab：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件、方法学、概念构思。Dilek ?am-Derin：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、方法学、研究、概念构思。Enes Gültekin：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、资源准备、方法学。Aleyna Y?ld?z：撰写 – 审稿与编辑、可视化、资源准备
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了Gemini Advanced工具检查了写作的语法。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。
资助
土耳其健康研究所（TUSEB）资助，项目编号为27,621。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
