柔性多孔石墨烯上一滴电合成三维普鲁士蓝类似物@PEDOT 用于便携式 NFC 集成的人精液中过氧化氢测定

《Analytica Chimica Acta》：One-drop electrosynthesis of 3D Prussian blue analog@PEDOT on flexible porous graphene for portable NFC-enabled hydrogen peroxide determination in human semen

　　

摘要

过氧化氢（H₂O₂）是一种相对稳定的活性氧物种，也是人精液氧化应激的重要生物标志物。H₂O₂浓度升高与精子功能受损和男性不育密切相关。因此，准确测定精液中总H₂O₂水平对于评估精液氧化状态具有重要价值。本研究开发了一种经济高效且灵敏的电化学传感平台，用于测定人精液中的总H₂O₂水平。自制柔性多孔石墨烯电极表面修饰了嵌入普鲁士蓝类似物（PBA）的三维聚（3,4-乙烯二氧噻吩）薄膜（3D PBA@PEDOT/F-PGE）。该3D PBA@PEDOT/F-PGE传感器通过一步电沉积工艺制备，具有优异的导电性、低电荷转移电阻、出色的结构完整性以及对H₂O₂还原的稳定电催化活性。该传感器的线性检测范围为0.50 μM至6.0 mM，灵敏度为390 μA mM^-1 cm^-1，检测限为0.18 μM。进一步将该传感器与纸质微流控装置及无电池近场通信（NFC）恒电位仪集成，构建了一个便携式电化学传感平台，能够在1.0 μM至4.0 mM浓度范围内精确测定H₂O₂，并具有良好的精密度和长期稳定性。该智能手机控制的传感平台成功应用于人精液样品中总H₂O₂浓度的测定，为评估精液氧化状态提供了便捷的方法。该平台在男性生殖健康相关氧化应激的即时检测以及便携式电化学传感技术的未来应用中具有相当大的潜力。

引言

过氧化氢（H₂O₂）是最重要的活性氧（ROS）之一，参与多种生理和病理过程[1]、[2]。在男性生殖系统中，低水平的ROS对正常精子功能至关重要，包括获能、超活化和顶体反应[3]、[4]。然而，过量的ROS产生可导致氧化应激，引发脂质过氧化、蛋白质氧化、DNA损伤、精子活力下降及受精能力受损[5]至[12]。在各种ROS中，H₂O₂相对稳定，且易于跨生物膜扩散，使其成为评估精液样品氧化应激的公认生物标志物[1]。H₂O₂浓度升高与男性不育和生殖障碍密切相关[1]、[13]、[14]。因此，测定精液中H₂O₂水平可提供有关样品氧化状态的宝贵信息，并有望作为评估男性生殖健康的有用工具[1]、[13]、[14]。需要注意的是，测定的H₂O₂浓度代表精液样品中存在的总H₂O₂含量，无论其生物来源如何；因此，H₂O₂测定反映的是整体氧化环境，而非特定的H₂O₂生成途径。

人类精液中H₂O₂的定量分析可采用色谱法[15]、[16]、光谱法[17]、[18]、滴定法[19]和电化学技术[20]至[22]进行。H₂O₂电化学传感器因其高分析灵敏度、快速响应、易用性和低成本等优点而受到广泛关注[20]。电化学分析仪器测量目标物质氧化还原反应所产生的电信号。在商用电化学分析设备中，配备近场通信（NFC）技术的设备被认为是最易用的便携式工具。NFC恒电位仪是一种将现代电势控制与无线通信技术相结合的设备，可实现电子标签与智能手机之间的短距离通信[23]、[24]。与实验室使用的传统台式恒电位仪不同，NFC恒电位仪将实时分析与无电池便携性相结合，并可通过智能手机或平板电脑上安装的应用程序进行操作[25]、[26]。

H₂O₂电化学传感器通常依赖沉积在电极上的微/纳米级金属和非金属催化材料[27]至[30]。普鲁士蓝（PB）纳米颗粒（NPs）和普鲁士蓝类似物（PBA）NPs是具有固有类过氧化物酶活性的混合价过渡金属六氰合金属酸盐，受到了广泛关注[31]，尤其是在生物传感器领域，这得益于它们催化H₂O₂还原的卓越能力。然而，其实际应用仍受到稳定性和导电性差的限制[25]。在H₂O₂还原过程中，氢氧根离子和自由基引起的降解会导致PBA NPs溶解为亚铁氰化物和氢氧化铁离子[32]、[33]。此外，其固有的半导体性质导致室温下导电性相对较低[34]。为了克服这些挑战并提高电化学传感性能，在合成过程中将PBA NPs与导电材料整合以提高其稳定性、耐久性和导电性至关重要。

导电聚合物薄膜，特别是聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT），是优良的电导体和粘合剂。PEDOT与PBA NPs的结合可形成具有增强导电性、改善催化活性和优异稳定性的复合材料[35]至[37]。然而，此前报道的制备PEDOT-PB复合材料的方法通常涉及复杂的多步制备工艺，这往往导致PB负载量低、纳米颗粒分布不均匀以及薄膜厚度不一致[38]至[41]。为克服这些局限性，本研究引入了一种同步单滴电化学策略：在EDOT单体存在下，通过氰化亚铁钠与铁（II）的共沉淀生成PBA纳米颗粒[42]，随后在同一受限微体积内立即进行电聚合。与传统的先沉积PB再涂覆聚合物的顺序工艺不同，该方法实现了成核、纳米颗粒捕获和聚合物生长的同步进行，从而形成分级整合的催化基质。这种原位受限形成促进了更高的PBA负载量、更均匀的纳米颗粒分布以及催化相与导电聚合物基质之间更好的界面整合。

基于这一策略，开发了一种经济高效的电化学传感器，并与基于NFC的传感平台集成，用于测定人精液中的H₂O₂水平，旨在初步筛选与男性不育相关的氧化应激。该传感器由柔性多孔石墨烯电极（F-PGE）构成，通过在PET基底上丝网印刷多孔石墨烯墨水制备，随后通过单滴电沉积工艺修饰三维PBA@PEDOT薄膜。在该结构中，PBA纳米颗粒作为H₂O₂还原的电催化剂和电子介质，而PEDOT基质则增强导电性、稳定纳米颗粒并减少团聚。所得的3D PBA@PEDOT/F-PGE进一步与纸质微流控装置（μFP）及由智能手机应用程序控制的无电池NFC恒电位仪卡集成，形成一个便携式传感平台，用于快速测定精液样品中的总H₂O₂水平。该平台为即时检测精液氧化状态提供了便捷的方法，并有望作为初步筛选氧化应激相关男性生殖障碍的有用工具。

各节摘录

试剂、仪器、电化学测量及柔性多孔石墨烯电极（F-PGE）的制备

详细信息见支持信息（S1–S3节）。

3D PBA@PEDOT/F-PGE传感器的制备

通过单滴电沉积工艺，将掺杂PBA NPs的三维聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）薄膜修饰于F-PGE表面。在试管（2 mL）中，将10 mM EDOT单体溶液超声分散于1 mL Na₄[Fe(CN)₆]溶液（10 mM，溶于10 mM HCl）中10分钟。随后，向混合物中加入1 mL FeCl₂溶液（10 mM，溶于10 mM HCl）并振荡3秒，形成蓝色胶体

F-PGE的物理和电化学特性

详细信息见支持信息（S4节）。

F-PGE上三维PBA@PEDOT薄膜的形成

当EDOT单体溶液在超声条件下与氰化亚铁钠（Na₄[Fe(CN)₆]）混合时，得到淡黄色溶液（图1A-i）。这种受限单滴策略与传统的多步PB沉积后再涂覆聚合物有根本区别，因为成核、纳米颗粒捕获和聚合物生长在同一受限微体积内同步进行。这种同步形成促进了更

结论

通过同步单滴电沉积策略，将柔性多孔石墨烯电极修饰为嵌入聚（3,4-乙烯二氧噻吩）基质中的三维普鲁士蓝类似物（3D PBA@PEDOT/F-PGE），成功开发了一种低成本、高灵敏度的电化学传感器。这种受限原位制备方法实现了纳米颗粒形成与聚合物捕获的同步进行，从而增强了界面整合，改善了

CRediT作者贡献声明

Kiattisak Promsuwan：写作—审阅与编辑，写作—原始草稿，验证，监督，资源，项目管理，方法学，调查，资金获取，形式化分析，数据管理，概念化。Asmee Soleh：写作—审阅与编辑，验证，方法学，形式化分析。Kasrin Saisahas：写作—原始草稿，验证，方法学，形式化分析。Jenjira Saichanapan：写作—审阅与编辑，验证，方法学，形式化分析。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究得到了宋卡王子大学（资助编号：SCI6802017S）的支持。作者感谢法医科学创新与服务中心（FSISC）、微量分析与生物传感器卓越中心（TAB-CoE）、人才管理项目及宋卡王子大学理学院健康与应用科学部。特别感谢理学院Thomas Duncan Coyne先生

Kiattisak Promsuwan | Jenjira Saichanapan | Asmee Soleh | Kasrin Saisahas | Kritsada Samoson | Warakorn Limbut

宋卡王子大学理学院法医科学创新与服务中心，泰国宋卡府合艾市，邮编90110