MWCNTs-COOH/Nafion改性PCB金电极用于电化学检测由SKPs来源的多巴胺能神经元分泌的多巴胺

《Microchemical Journal》：MWCNTs-COOH/Nafion modified PCB gold electrode for electrochemical detection of dopamine secreted by SKPs-derived dopaminergic neurons

　　

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  低成本PCB金电极，具有优异的电子传输动力学。
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  MWCNTs/Nafion网络提升了灵敏度和选择性。
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  高性能：1–70?μM线性范围和202?nM检测限。
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  在复杂介质中具有强抗生物污染性和选择性。
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  能够直接检测3D dECM神经元模型中的多巴胺。

引言

多巴胺（DA）是一种关键的去甲肾上腺素类神经递质，调节中枢神经系统中的运动控制、认知和奖赏处理[1]。在大脑中，大鼠的多巴胺浓度约为50–200?nM，而在人类中可达到2?μM[2]。DA的病理失调与帕金森病、阿尔茨海默病和精神分裂症密切相关[3],[4]，这促使人们需要在生理相关的体外模型中进行准确的实时监测[5]。传统的检测方法，包括HPLC-MS、毛细管电泳和基于荧光的测定，虽然灵敏度高，但受到昂贵仪器、费时样品制备或无法实时测量的限制。相比之下，电化学传感技术无需标记物，具有高时间分辨率、便携性和易于微型化的特点，非常适合用于体外神经监测[6]。电化学检测有两种形式：一种是原位实时监测多巴胺的瞬时释放动态，另一种是离体测量收集的培养上清液中积累的多巴胺。我们采用后者，因为它操作更简单，更适合复杂的3D培养格式。

尽管有这些优势，但将电化学多巴胺检测技术应用于复杂的生物基质时仍面临两个主要挑战：化学干扰和表面生物污染。在生理液体中，多巴胺与高浓度的阴离子干扰物共存，尤其是抗坏血酸（AA）和尿酸（UA），它们的氧化电位与多巴胺在传统电极上的电位重叠[7],[8]。此外，在3D细胞培养和类器官系统中，蛋白质和其他生物大分子的非特异性吸附会导致电极快速钝化和信号逐渐下降[9]。

为了解决干扰问题，全氟化磺化聚合物Nafion被广泛使用。其带负电的磺酸基团可以静电排斥阴离子干扰物，同时选择性地富集质子化后的多巴胺阳离子[14]。此外，Nafion薄膜可以通过抵抗非特异性生物大分子的吸附来部分抑制电极污染，从而在富含蛋白质的环境中提高操作稳定性[15],[16]。为了提高检测灵敏度，羧化多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH）作为补充成分：它们的高比表面积和优异的导电性为复合薄膜提供了丰富的电活性位点和高效的电荷传输路径[17]。

大多数用于多巴胺检测的纳米材料改性电极基于传统的商用平台，通常是玻璃碳电极（GCEs）或丝网印刷电极（SPEs），但这些平台在常规生物应用中存在固有的局限性[18],[19],[20],[21],[22]。GCEs需要较大的样品体积，需要复杂的抛光步骤，并且难以集成到微型传感器阵列中[20]。而SPEs在其印刷墨水中含有非导电的聚合物粘合剂，这会损害电化学性能，其性能还受到基底材料的强烈影响[21],[22]。相比之下，印刷电路板（PCB）技术提供了一种无粘合剂的高电活性金表面，具有出色的电子传输动力学。PCB制造的极高设计灵活性和极低的制造成本使其能够大规模生产为一次性设备，从而消除了重复使用电极时可能出现的漂移和记忆效应[23],[24]。

在这项工作中，我们报道了一种由MWCNTs-COOH/Nafion改性的PCB-AuE传感器，用于选择性检测SKP来源的多巴胺能神经元（SKPs-DA）分泌的多巴胺。我们首先系统优化了电极几何结构，确定了最佳的PCB-AuE配置，并将其电传输性能与商用GCE和SPE平台进行了对比。然后，利用MWCNTs-COOH/Nafion涂层作为合理的工程策略，赋予了所需的选择性和抗污染性。通过收集在3D脑dECM支架中培养的SKPs-DA的培养上清液并将其滴涂到传感器上进行离体终点DPV测量，验证了该平台的实际实用性。据我们所知，这种生理相关的3D模型之前尚未通过电化学传感器进行过研究。

章节摘要

材料与试剂

焦磷酸钾（K₃[Fe(CN)₆），纯度≥99.5%和氯化钾（KCl），纯度≥99.5%购自中国天津的Fuchen公司。氢氧化钾（KOH）购自Labcoms公司。过氧化氢（H?O?），纯度≥99.7%购自中国广州的Hengjian Chemical公司。盐酸多巴胺（DA），纯度≥98.0%；L-抗坏血酸（AA），纯度≥99.0%；尿酸（UA），纯度≥99.0%；Nafion全氟化树脂溶液（5 wt%）和磷酸盐缓冲盐水（PBS）均购自中国上海的Macklin公司。

PCB电极几何设计参数的优化

为了优化传感器的灵敏度并确保其重复性，我们系统研究了三个关键几何参数——工作电极（WE）面积、电极间距和电极形状对电化学响应的影响。采用标准的氧化还原探针[Fe(CN)₆^3?/4?进行表征，并使用氧化还原峰电流之和（ΔI=I_pa?+?∣I_pc∣）作为信号强度的定量指标。

工作电极（WE）面积的影响。

结论

在这项工作中，我们报道了一种用MWCNTs-COOH和Nafion改性的定制PCB基金电极（PCB-AuE），用于电化学检测SKP来源的多巴胺能神经元（SKPs-DA）分泌的多巴胺（DA）。与商用GCEs和SPEs相比，PCB-AuE表现出更优异的电子传输动力学。MWCNTs-COOH和Nafong的协同修饰不仅通过提供高导电性的3D网络显著增强了电化学信号

Fujia Sun：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿编写，数据管理，概念化。Wenrui Cao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿编写，验证，项目管理，方法学研究，数据分析，数据管理。Jiaqi Wang：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化，验证，软件开发，项目管理，研究，数据分析。Qiuwen Sun：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化，资源管理，项目管理，研究。

出版同意

不适用。

伦理批准和参与同意

本研究遵守了所有相关的动物使用指南和伦理规定。所有动物使用和研究方案均获得了中国江苏省实验动物管理机构（检查编号：20250225–039）的批准。

[10], [11], [13]

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：82172104、32130060）、江苏省自然科学基金（BK 20241835）、江苏省研究医院（YJXYY202204、YJXYY202204-ZD04）以及江苏省重点医疗中心、江苏省医学创新中心（CXZX202212）的慷慨支持。

Fujia Sun|Wenrui Cao|Jiaqi Wang|Qiuwen Sun|Hao Han|Zige Peng|Bucheng Yang|Minghao Hou|Yanzi Chen|Yiting Chen|Yejing Zhang|Feng Wang|Xiaosong Gu|Hui Zhu|Chengbin Xue