具有薄层水凝胶抗污界面的可植入式纳米传感器，可实现单细胞水平上对过氧化氢的超灵敏检测

《Microbiology Resource Announcements》：Implantable nanosensor with thin-layer hydrogel antifouling interface for ultrasensitive detection of hydrogen peroxide at the single-cell level

　　

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  研究人员构建了一种具有薄层水凝胶界面的抗污纳米传感器，以此有效避免非特异性吸附现象。
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  Gel/Pt/CFE在复杂环境中仍能保持电化学稳定性，可实现对H₂O₂的超灵敏精准检测，其检测下限仅为1.093?μM。
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  该纳米传感平台能够以单细胞水平实现LPS刺激的PC-12细胞中H₂O₂含量的时空分辨率监测。

引言

过氧化氢（H₂O₂）是一种关键的氧化还原信号分子，可调控包括细胞增殖、分化以及免疫反应在内的多种细胞过程[1]、[2]、[3]。H₂O₂水平的失调与癌症、神经退行性疾病以及炎症性疾病等多种病理状态密切相关[4]、[5]、[6]。细胞内及细胞间H₂O₂的产生过程具有高度的局部性和异质性[7]。基于群体平均值的分析方法无法捕捉到这些关键波动，可能会掩盖重要的机制信息[8]。因此，亟需具备高空间和时间分辨率、可在单细胞层面监测H₂O₂水平的分析工具。由于具有高灵敏度、快速响应特性以及低侵入性的原位监测能力，基于微/纳米电极的电化学传感器已被广泛研究[9]。例如，Wang等人提出了一种电化学偶联策略，将二茂铁适配体连接到碳纤维电极上，从而制备出可用于实时监测单个HeLa细胞内三磷酸腺苷水平的电化学适配体偶联纳米传感器[10]。

然而，单个细胞的细胞内部环境十分复杂且拥挤，存在富含大量蛋白质、核酸及各类代谢物的致密基质[11]。电极植入后，其表面会迅速接触到各种蛋白质及其他大分子，这些物质会自发且不可逆地吸附在疏水的碳电极或金属电极表面[12]。这种生物污垢层会形成物理和化学屏障，严重阻碍H₂O₂向活性催化位点的扩散[13]。这样一来，传感界面就会发生严重的钝化，从而导致信号漂移，使得监测结果不可靠[14]。生物污垢引起的信号变化是限制可植入纳米电化学传感器准确性与重复性的主要瓶颈，也为实现可靠的生物传感带来了巨大挑战[15]、[16]。

薄层水凝胶作为一种兼具生物相容性和通透选择性特性的界面材料，由于其三维网络结构以及较高的含水量，有望防止生物大分子的非特异性吸附[17]、[18]。水凝胶基质中的大量水分子通过氢键形成紧密结合的水合层[19]。这一水合层能够形成物理屏障，减少蛋白质和细胞碎片对传感界面的钝化作用，从而使纳米传感器具备抗污性能[20]。同时，水凝胶网络的大小类似分子筛，能够物理阻挡体积较大的大分子，却允许小型分析物快速扩散[21]。水凝胶层可将催化界面与复杂的细胞内基质隔离开来，进而保障生物传感器的稳定性和灵敏度[22]、[23]。

在本研究中，研究人员制备了一种基于铂纳米粒子与薄层水凝胶界面的可植入纳米传感器，该传感器赋予Gel/Pt/CFE高效的电催化性能以及出色的抗污能力，可用于H₂O₂的检测（见图1）。所设计的水凝胶界面有助于克服生物污垢问题，进一步提升Gel/Pt/CFE在实现细胞内H₂O₂的超灵敏且稳定监测方面的性能。实验结果表明，由于亲水性水凝胶层表面的水合作用，Gel/Pt/CFE能够长期有效防止牛血清白蛋白（BSA）和细胞色素c（Cyt c）的非特异性吸附，充分展现了其在H₂O₂检测过程中的优异抗污性能。随后，该传感器被用于在单细胞层面监测经脂多糖刺激的PC-12细胞中的H₂O₂含量。所提出的方法为研究细胞内H₂O₂的分布规律及其调控机制提供了高空间和时间分辨率的分析平台，有助于探索细胞微环境中的生理活动，为早期疾病诊断提供可能。

章节要点

试剂与材料

二茂苯甲醇（Fc-CH₂OH）、还原型谷胱甘肽（GSH）、过氧化氢（H₂O₂，30%浓度）、牛血清白蛋白（BSA）、细胞色素c（Cyt c）、2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基丙苯酮、抗坏血酸（AA）、葡萄糖（Glu）、多巴胺（DA）、尿酸（UA）、5-羟色胺（5-HT）、磷酸盐缓冲液（PBS）以及氢氧化钠（NaOH）均购自中国上海的Aladdin Co., Ltd公司。聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）则由源恩生物科技有限公司提供。

Gel/Pt/CFE的表征

通过电化学沉积法将铂纳米粒子修饰到碳纤维电极上。图1A展示了在?0.5至0伏电压范围内进行的20次连续循环伏安扫描结果，可见每次循环时峰电流都会持续上升，这正是铂纳米粒子在碳纤维电极表面逐渐析出并生长的典型特征[31]。图1B中的扫描电子显微镜图像显示，铂纳米粒子在碳纤维电极上分布均匀。之后，人们在电极表面涂覆了一层薄薄的水凝胶层。

结论

总体而言，本研究提出了一种有效的制备方法，可用于制备经过铂纳米粒子修饰且带有超薄水凝胶层的碳纤维电极，由此制成的可植入抗污型Gel/Pt/CFE传感器，能够实现单细胞层面H₂O₂含量的可靠且精准监测。实验结果表明，该纳米传感器具有出色的电化学稳定性与抗污性能，在与复杂基质共培养后仍能保留超过90%的初始信号强度。此外，该纳米传感器还表现出良好的线性响应特性。

作者贡献说明

杨子怡：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿编写、方法设计、实验研究、定量分析、概念构思。李一航：方法设计、实验研究、定量分析、数据整理、概念构思。邱冠霞：方法设计、实验研究、定量分析、数据整理、概念构思。徐琪：论文撰写——审阅与编辑、验证工作、项目监督、资源协调、项目管理。吴震：实验研究、定量分析、数据整理、概念构思。张秀华：

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。

致谢

本项研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号为22376055和22274037）以及中国湖北省科技创新人才计划（项目编号为2025DJB070）的财政支持。

Ziyi Yang|Yihang Li|Guanxia Qiu|Qi Xu|Zhen Wu|Xiuhua Zhang|Shengfu Wang|Wei Wen