基于由石纸与SnO?纳米粒子修饰碳布构建的可折叠折纸混合电极的无污染物新型电化学适体传感器检测促甲状腺激素

《Talanta》：Thyroid-Stimulating Hormone Detection by a Novel Electrochemical Aptasensor Based on Foldable Origami Hybrid Electrode constructed from Stone Paper and SnO 2 NPs-Modified Carbon Cloth as a Contamination-Free Platform

　　

摘要

促甲状腺激素 (TSH) 被认为是诊断和监测甲状腺功能紊乱（包括甲状腺功能减退症和甲状腺功能亢进症）最敏感的生物标志物之一。因此，设计和开发快速、灵敏、准确且易于获取的激素检测方法尤为重要。在本研究中，设计并制备了一种具有折纸结构的无标记纸基电化学适配体传感器，用于检测 TSH。参考电极和辅助电极是通过模板手工印刷法，在石头纸基底上使用石墨墨水制备的。此外，工作电极由碳布 (CC) 制成，其表面修饰了通过水热法合成的二氧化锡纳米粒子 (SnO₂ NPs)，然后置于折纸结构中用于固定适配体。折纸设计使得工作电极在生物功能化步骤期间能与参考电极和辅助电极在物理上分离；从而防止了这些电极的表面污染，并提高了制备的适配体传感器的稳定性和性能。开发的适配体传感器能够利用方波伏安法 (SWV) 在 0.001 至 150 μIU/mL 的浓度范围内检测 TSH，检测限极低，为 0.0003 μIU/mL。该传感器对其他甲状腺激素也表现出高选择性，并在真实血液血清样本中确认了其效率，回收率为 97% 至 103%。所提出的适配体传感器具有高灵敏度、低制造成本、便携性和易用性，可作为快速即时检测甲状腺疾病监测的实用工具。

引言

甲状腺疾病是世界上最常见的内分泌疾病之一，通常分为两大类：甲状腺功能减退症和甲状腺功能亢进症 [1]。如果未得到及时诊断和治疗，这些疾病可能导致严重的临床后果，包括心血管疾病、生育障碍、精神问题，严重时甚至导致昏迷和死亡 [2], [3]。在与甲状腺功能相关的实验室指标中，由垂体前叶分泌的 TSH 是评估甲状腺功能状态最敏感的标志物 [4]。TSH 与甲状腺激素之间的关系本质是对数关系，因此甲状腺激素浓度的微小变化可能导致 TSH 水平的显著变化 [5]。因此，TSH 被认为是甲状腺疾病诊断、筛查和治疗监测最重要的实验室生物标志物。

传统的 TSH 测量方法，如化学发光免疫分析 (CLIA)、电化学发光免疫分析 (ECLIA) 和酶联免疫吸附测定 (ELISA) 以及化学发光免疫分析，尽管准确性可接受，但需要昂贵的实验室设备、相对较长的分析时间、多个程序步骤和专业技术人员，这限制了它们在非实验室环境中的广泛使用 [6], [7]。此外，每次测试的高成本和缺乏便携性给这些方法在诊所、流动医疗单位和服务不足地区的应用带来了挑战。

近年来，电化学生物传感器已成为传统方法的有前景的替代品。由于具有高灵敏度、响应快速、成本低、便携和微型化潜力等特点，这些传感器在发展即时检测系统方面具有巨大潜力 [8], [9]。然而，对已进行的电化学 TSH 检测研究的回顾表明，大多数报道的生物传感器是基于抗体的 [10], [11], [12], [13]。尽管抗体具有良好的特异性，但它们存在局限性，包括对温度和 pH 值变化的稳定性较低、生产成本高以及固定过程相对复杂 [14]。此外，许多这些系统依赖于酶标记或荧光标记，这增加了检测过程的复杂性、时间和成本 [14]。

在这种情况下，适配体作为替代生物识别元素受到了广泛关注。适配体是通过体外筛选过程 SELEX 获得的单链 DNA 或 RNA 寡核苷酸，具有与各种靶标高亲和力和特异性结合的能力 [15]。与抗体相比，适配体具有优势，如更高的热稳定性和化学稳定性、更低的生产成本、更容易的化学修饰、更简单的固定以及生产不依赖于生物系统 [16], [17]。这些特性使得适配体成为开发新一代快速、稳定且低成本生物传感器的合适候选者 [18]。

随着生物识别元素的进步，在开发分析系统中使用纸基基底也引起了广泛关注。纸基分析工具由于成本低、重量轻、便携、易用和可生物降解，是开发一次性即时检测系统的合适选择 [19], [20]。然而，设计纸基电化学传感器的一个重大挑战是在生物功能化步骤期间参考电极和辅助电极表面的污染。生物分子在参考电极表面的非特异性吸附可能会改变参考电位，导致电化学测量错误 [21], [22]。在这方面，基于折纸的设计被引入作为一种克服该问题的有效策略。在这样的结构中，传感器设计在不同部分位于纸基底上的不同区域，仅通过折叠基底在需要时将其结合在一起 [23], [24]。这种策略允许对每个电极进行独立的表面修饰，并防止交叉污染。

虽然纸基基底为电极的空间排列和图案化提供了多功能的可折叠支架，但要在折纸设备中实现高灵敏度，通常受益于集成专门导电材料作为工作电极 [25]。CC 作为一种导电和柔性碳基纺织品，由于其导电性、机械强度、多孔结构和大的可及表面积，为柔性电化学生物传感器的工作电极制造提供了有前景的平台 [26], [27]。然而，仅 CC 不是创建完整电极组的适当基底。因此，纸和 CC 的组合可以代表一种高效的混合策略，其中石头纸用作印刷参考电极和辅助电极的耐用、廉价且合适的基底，而修饰的 CC 则作为工作电极 [28]。这种混合设计可以在保持简单和廉价的同时提供有利的电化学性能。

为了提高电化学生物传感器的性能，用纳米材料修饰工作电极表面被认为是最有效的策略之一。纳米材料通过增加有效表面积、促进电子转移和提供更多的生物识别元素固定活性位点，直接有助于提高传感器灵敏度和性能 [29], [30]。其中，SnO₂ 纳米粒子被认为是有前景的电极修饰物，因为它们的金属氧化物表面可以为生物分子固定提供稳定且相对生物相容的微环境，同时提供有利的化学稳定性和电子特性 [31], [32], [33]。

在本研究中，设计并开发了一种具有折纸结构的无标记电化学适配体传感器，用于灵敏且选择性地检测 TSH。该系统基于纸–CC 混合基底，其中参考电极和辅助电极是通过模板手工印刷法在石头纸上使用石墨墨水制备的，而工作电极则由通过水热法合成的 SnO₂ NPs 修饰的 CC 制成。系统的折纸设计使得工作电极在生物功能化步骤期间能与其他电极在物理上分离，从而防止参考电极和辅助电极表面的污染。使用特定的 TSH 适配体和无标记设计简化了检测过程并降低了成本。该适配体传感器的性能在真实人血清样本中进行了评估，结果表明所提出的系统具有高灵敏度、适当的选择性、良好的稳定性和可接受的重复性。总体而言，由于其低制造成本、便携性和现场使用能力，该适配体传感器在甲状腺疾病的即时诊断和监测中具有巨大的应用潜力。

章节摘要

材料和设备

材料和设备详情见补充信息。

CC 基底上 SnO₂ NPs 的合成 (SnO₂NPs@CC)

首先，将 CC 切割至所需尺寸，在进行表面修饰过程之前，在超声波浴中分两阶段用蒸馏水和乙醇清洗，每次 10 分钟，以去除可能的污染物。然后，通过水热法在 CC 基底上合成 SnO₂ NPs。为此，将 0.29 g 的 SnCl₄ 和 0.4 g 的 NaOH 加入 28 mL 蒸馏水中，并且

合成的 SnO₂ NPs@CC 的表征

使用场发射扫描电子显微镜 (FE-SEM) 研究了修饰有合成 SnO₂ NPs 的 CC 的表面形貌。图 1 显示了不同放大倍数下 SnO₂ NPs 的 FE-SEM 图像。在较低放大倍数下获得的图像 (图 1a 和 b) 显示 SnO₂ NPs 对基底表面进行了相对均匀和密集的覆盖，表明合成材料成功固定在 CC 纤维上。

在中等放大倍数下 (图 1c)，沉积的 SnO

结论

在本研究中，设计并制备了一种具有折纸结构的无标记电化学适配体传感器，用于灵敏且选择性地检测 TSH。使用纸–CC 混合基底以及用 SnO₂ NPs 修饰工作电极表面，增加了电极的活性表面积，提高了适配体链的负载能力。此外，折纸设计通过使工作电极与参考电极在物理上分离

CRediT 作者贡献声明

泽纳布·拉赫马蒂：写作 – 原稿，验证，方法，调查，正式分析。贾汗·巴赫什·拉奥夫：写作 – 审阅与编辑，可视化，监督，资金获取，概念化

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

资金

这项工作基于伊朗国家科学基金会 (INSF) 和纳米技术发展特别任务小组资助的研究，项目编号为 4044308。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

贾汗·巴赫什·拉奥夫|泽纳布·拉赫马蒂

马赞德兰大学，化学学院，分析化学系，电化学分析化学研究实验室，伊朗，巴博勒斯