基于β-环糊精/NADH/MoS2的三元信号放大平台,用于CV/DPV双信号在人血清中对乙酰氨基酚的超灵敏检测

《Talanta》:Ternary signal amplification platform based on β-CD/NADH/MoS 2 for ultrasensitive detection of acetaminophen in human serum by CV/DPV dual-signal

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月07日 来源:Talanta 6.7

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   摘要准确检测人体血清中对乙酰氨基酚(AP)对确保临床安全至关重要。本研究通过β-环糊精(β-CD)、NADH和MoS2修饰玻碳电极(GCE),开发了一种电化学检测平台,实现了三重协同信号放大,达到近乎2倍的协同放大效果。通过SEM、XPS、FT-IR和BET系统验证了β-CD

  

摘要

准确检测人体血清中对乙酰氨基酚(AP)对确保临床安全至关重要。本研究通过β-环糊精(β-CD)、NADH和MoS2修饰玻碳电极(GCE),开发了一种电化学检测平台,实现了三重协同信号放大,达到近乎2倍的协同放大效果。通过SEM、XPS、FT-IR和BET系统验证了β-CD/NADH/MoS2/GCE的修饰过程。密度泛函理论(DFT)计算确认了AP在电极上的电氧化过程涉及2个电子和2个质子的转移。循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)评估结果表明,该平台具有超宽线性范围(1.00-3000.00 μM)、极低检测限(100.00 nM)、优异的稳定性及抗干扰能力。该平台在实际血清样本中的回收率为92.14%-106.19%,与紫外-可见光谱法和荧光法相比,表现出优越的检测性能。该简单、低成本的平台对临床AP检测具有重要实用价值。

引言

对乙酰氨基酚(AP)是一种苯胺衍生物[1],作为解热镇痛药在全球范围内被广泛应用。AP主要作用于中枢神经系统,发挥显著的中枢镇痛和解热作用[2]。由于其对胃肠道刺激性温和且不影响血小板功能[3],AP是儿童、老年人、孕妇及患有消化性溃疡或凝血障碍患者的首选药物[4]。AP还被纳入超过600种感冒和镇痛制剂的配方中[5],成为现代初级医疗保健中不可或缺的核心成分。
然而,在其高度易获得性和良好耐受性背后,隐藏着严重的剂量依赖性毒性风险。AP在人体内的治疗血药浓度窗口仅为10.00-20.00 μg/mL(66.00-132.00 μmol/L),而服药后4小时血清浓度超过150 μg/mL(992.00 μmol/L)则提示存在明确的肝毒性风险[6]。过量摄入AP会导致代谢产生大量N-乙酰-p-苯醌亚胺(NAPQI)[7]。当NAPQI的生成量超过谷胱甘肽的解毒能力时[8],将损伤肝细胞并最终导致细胞坏死。目前,AP过量已成为全球急性肝衰竭的首要原因。因此,建立适用于床旁和社区场景的快速准确AP检测方法,对于构建药物安全预警系统和减轻药物性肝损伤负担具有重要的现实意义。
传统的AP检测方法均存在明显局限性:紫外-可见(UV-Vis)光谱法[9]、荧光光谱法[10]、滴定法[11]、毛细管电泳[12]等技术灵敏度低、重复性差且对生物基质干扰的抵抗能力弱;基于酶的颜色显色法[13]受限于酶稳定性差和线性范围窄;虽然高效液相色谱(HPLC)[14]具有良好的特异性和灵敏度,但其昂贵的仪器、复杂的样品前处理和耗时的检测过程使其难以满足快速检测的需求。因此,临床上迫切需要一种具有高灵敏度、抗干扰能力强、操作简便且成本低廉的新型AP检测方法。近年来,便携智能传感器的快速发展使得在复杂实际基质中对分析物进行现场检测成为可能[15],满足了日益增长的快速实用分析解决方案需求。在此背景下,电化学传感技术凭借其直接电学信号响应、器件易于微型化和分析快速等优势[16],提供了一种同时满足上述要求的可行途径。
目前,无酶电化学传感器的性能高度依赖于电极界面的修饰材料。不同材料通过其独特的物理化学性质影响电子转移动力学、反应过电位和分析物富集能力[17],从而导致检测性能存在显著差异。
已有大量研究围绕AP的电化学检测展开,研究重点集中在电极材料的修饰和功能化以提升检测性能。Alam等人[18]以玻碳电极为基底,在多孔壁碳纳米管(MWCNTs)表面修饰β-环糊精(β-CD),制备了一种适用于水样中AP高灵敏度检测的电化学传感器。该传感器对AP实现了11.50 nmol/L的极低检测限,线性检测范围为50.00-300.00 μmol/L。Hong等人[19]通过一锅法在银纳米线(AgNWs)表面原位生长金属-有机框架MOF-808制备了复合修饰材料,并将该复合材料与聚合物Nafion结合后修饰于GCE表面构建传感膜,获得了优异的稳定性。最终该传感器对目标分析物展现出0.10-400.00 μmol/L的宽线性检测范围和0.0561 μmol/L的低检测限。Venkatachalam等人[20]通过简单的共沉淀法制备了Au@Fe3O4@rGO/GCE用于AP检测。该纳米复合传感器对AP表现出优异的电化学灵敏度,线性检测范围为0.01-0.28 μmol/L,检测限为5.00 nmol/L。
常见AP电化学传感修饰材料的分类及性能比较详见补充材料。本研究所构建传感器所用材料的性质和功能详见下文。MoS2具有半导体-金属相变特性、丰富的边缘活性位点[21]和优异的电催化性能。MoS2中硫原子的边缘位点可通过Mo4+与S2-之间的电子协同效应降低AP的反应能垒[22]。因此,本研究选择MoS2纳米片作为核心导电基底,为后续功能修饰提供优异的界面支撑。
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)作为核心氧化还原辅酶[23]、[24]、[25],是一种高效的电催化信号放大元件,其氧化过程中的催化循环可增强AP的电流响应。在本体系中,引入NADH并与MoS2基底结合。借助MoS2的电子传导和电催化优势,加速了电子转移,降低了NADH的氧化过电位[26],解决了其氧化钝化问题。此外,NADH与AP之间的特异性电催化循环进一步放大了检测信号,提升了检测性能。
β-CD凭借其独特的适中空腔尺寸和优异的水溶性而被广泛应用。β-CD分子具有"疏水内腔、亲水外表面"的典型结构特征[27];其疏水内腔可通过主-客体包合作用实现含苯环等疏水功能基团的目标分析物的特异性识别和选择性捕获,从而显著增加电极表面分析物的局部浓度,达到高效富集的目的[28]。
基于上述背景,本研究提出了一种β-CD/NADH/MoS2三元协同信号放大传感策略,构建了适用于人体血清中微量AP检测的电化学平台,解决了当前检测灵敏度、选择性和信号放大效率方面的不足。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、BET及电化学表征技术验证了电极修饰效果及界面电子转移特性;该修饰方案制备简便、重现性好且成本可控,为AP的大规模实际检测提供了支持。

章节摘要

实验仪器和试剂

实验试剂、设备和拟合软件的详细信息见补充材料。

β-CD/NADH/MoS2/GCE的制备与检测

图1展示了β-CD/NADH/MoS2/GCE的详细修饰过程以及检测过程中AP在电极表面的氧化机理。具体而言,首先将MoS2溶解于Milli-Q超纯水中制备8.00 mg/mL的MoS2溶液,然后将其滴涂于抛光干燥的裸GCE表面。随后,修饰后的电极

β-CD/NADH/MoS2/GCE的可行性研究

本研究中,除表征实验外,GCE作为检测电极的基底,而丝网印刷碳电极(SPCE)仅用作初始表征工具。采用CV和DPV双信号相互验证并探索AP的电化学行为,以提高检测结果的准确性和可靠性。CV用于电催化过程的定性和半定量探索

结论

该平台的核心创新在于通过巧妙的界面工程实现了三种材料之间的协同信号增强效应。三元协同设计——使用MoS2纳米片作为高导电基底负载NADH分子,再依靠最外层β-CD分子独特的疏水空腔——是传感器性能突破的根本原因。通过分析AP的电氧化过程,阐明了

CRediT作者贡献声明

秦悦佳:监督指导。冯晓珍:监督指导。韩国成:撰写—审阅与编辑、监督指导、概念构思。陈书慧:验证、调查研究。吕佳琪:撰写—原稿撰写、验证、调查研究

数据可用性

数据可根据要求提供。

伦理批准

人体血清样本采集于中国桂林医学院附属医院,并获得医学伦理委员会批准(编号:PTXM-2024001)。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢国家自然科学基金(编号:62361014)、广西自然科学基金(编号:2024GXNSFAA010289)以及中国留学基金管理委员会奖学金(编号:202408450078)的资助。感谢柳州市科技规划项目(资助号:2024SB0104C003)的支持。同时感谢福建省物质结构研究所卢建博士在量子计算方面提供的帮助。
吕佳琪|陈书慧|韩国成|冯晓珍|秦悦佳
桂林电子科技大学,广西人体生理信息无创检测工程技术研究中心,广西慢病代谢重编程与智能医疗工程重点实验室,广西高校生物医学传感器与智能仪器重点实验室,桂林 541004,中国
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