《Advanced NanoBiomed Research》：Novel Interdigitated Electrode Conductometric Sensor for Rapid, Sensitive, and Selective Detection of cTnI Biomarkers in Saliva
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心肌肌钙蛋白I（cTnI）作为心肌梗死的关键生物标志物，其准确且灵敏的检测对于心血管疾病的早期诊断与管理至关重要。尽管cTnI生物传感器相较于传统检测方法展现出良好前景，但许多现有技术仍受限于制备工艺复杂、灵敏度不足及检测流程繁琐等问题。本研究提出了一种基于高
心肌肌钙蛋白I（cTnI）作为心肌梗死的关键生物标志物，其准确且灵敏的检测对于心血管疾病的早期诊断与管理至关重要。尽管cTnI生物传感器相较于传统检测方法展现出良好前景，但许多现有技术仍受限于制备工艺复杂、灵敏度不足及检测流程繁琐等问题。本研究提出了一种基于高阻硅晶圆的新型电导式叉指电极（IDE）传感器，用于唾液中cTnI的快速、无创、灵敏且选择性检测。该传感器采用分子印迹聚合物纳米颗粒（cTnI nanoMIPs），具备可扩展的制备工艺及简便的检测流程。研究评估了六种IDE构型（1、2、4、8、16及32对电极）在磷酸盐缓冲液中的性能，其中16对电极构型表现最优，检测限低至0.08 fM。该传感器在人工唾液及混合人唾液样本中亦展现出优异性能。检测过程仅需15 μL样本，孵育10 min，传感器读取时间小于3 min。凭借微型化潜力、多重检测能力以及与常见电子平台集成实现无线检测的可行性，该导电性IDE传感器有望成为面向即时检测应用的未来医疗器件。
基于高阻硅叉指电极与分子印迹纳米聚合物的唾液心肌肌钙蛋白I导电传感器：研究解读
一、研究背景与问题
心血管疾病是全球范围内导致患者死亡的首要原因，约占全球总死亡率的31%。其中，急性心肌梗死（AMI）尤为关键，部分患者无明显心电图改变，导致死亡风险显著升高。心肌肌钙蛋白I（cTnI）作为心肌损伤的金标准生物标志物，在心肌受损后短时间内即释放入血并持续升高长达10天，为疾病诊断提供了较长的检测窗口。健康个体血液中cTnI浓度约为1 ng/L，超过该阈值提示AMI风险升高。
目前，cTnI检测主要依赖酶联免疫吸附试验（ELISA）、比色法、表面增强拉曼光谱（SERS）、场效应晶体管（FET）、电化学及荧光免疫分析等技术。然而，上述方法多依赖血液样本，具有侵入性，且存在操作流程复杂、仪器成本高、技术要求高、检测周期长（数小时至数天）等局限。尽管已报道的cTnI生物传感器在一定程度上克服了传统方法的不足，但多数仍面临传感器制备复杂、需分子标记、灵敏度与选择性有限、稳定性差及检测方法繁琐等问题。因此，开发一种制备简便、灵敏度高、选择性好、稳定性强且适用于非侵入性检测的新型cTnI生物传感器，对于推动下一代cTnI诊断技术发展具有重要意义。
二、研究内容与核心结论
针对上述问题，研究人员开发了一种基于高阻值硅（HR-Si）衬底、结合cTnI特异性分子印迹聚合物纳米颗粒（nanoMIPs）的叉指电极（IDE）导电性生物传感器，用于唾液样本中cTnI的快速、灵敏、选择性检测。研究设计并评估了六种不同电极对数（1、2、4、8、16和32对）的IDE构型，系统考察了其在磷酸盐缓冲液（PBS）、人工唾液及混合人唾液中的检测性能。结果表明，16对电极构型在PBS中性能最优，检测限（LOD）低至0.08 fM，线性工作范围为1 fM–10 pM，灵敏度为6.22%/M。该传感器在人工唾液和混合人唾液中亦展现出优异性能，LOD分别为0.94 fM和0.71 fM。此外，传感器仅需15 μL样本、孵育10分钟，读取时间小于3分钟，且具备良好的选择性和长期储存稳定性。该研究为开发低成本、微型化、非侵入式的即时检测设备提供了可行方案，有望实现心肌梗死的早期诊断。
三、关键技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：基于标准光刻工艺的高阻硅叉指电极传感器制备；采用(3-缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷（GPS硅烷）进行传感器表面功能化；通过滴涂法将cTnI nanoMIPs固定于传感器表面；利用电阻测量、拉曼光谱和原子力显微镜（AFM）对传感器表面功能化过程进行表征；通过计算ΔR(%)评估传感器响应性能；并采用人工唾液和混合人唾液（购自Sapphire Bioscience Pty. Ltd.）验证传感器在复杂生物基质中的检测能力。
四、研究结果
2.1 IDE传感器的设计与制备
研究人员利用商业HR-Si晶圆和标准光刻技术制备了六种不同电极对数（1、2、4、8、16和32对）的IDE传感器。单对电极的极间间隙为40 μm，电极长度为4 mm，传感器总宽3.4 mm，接触垫间距1.24 mm，接触垫宽度1 mm。随着电极对数的增加，传感器的有效传感面积逐步增大。研究表明，IDE设计在低交流电压下高效工作，减少电极上的法拉第过程，并为cTnI nanoMIPs的富集提供了更大表面积，从而增强了传感性能。
2.2 cTnI生物标志物在IDE传感器上的结合与表征
通过水接触角测量、电阻测量、拉曼光谱和AFM分析，证实了IDE传感器的逐步功能化过程。水接触角从初始的50°–70°降至O2等离子体处理后的40°–50°，再经GPS硅烷化后升至75°–90°，表明硅烷化成功。电阻测量显示，16对IDE传感器的电阻从初始约90 kΩ降至GPS硅烷化后的约15 kΩ，经nanoMIPs固定后升至约27 kΩ，在cTnI抗原结合后降至约25 kΩ，反映了表面分子相互作用的改变。拉曼光谱在2800–2900 cm?1区域出现CH2伸缩振动峰，并在1000–1700 cm?1区域出现新峰，证实了GPS硅烷化及nanoMIPs固定。AFM高度图和RMS粗糙度分析进一步确认了每步功能化的成功。
2.3 IDE传感器在PBS中cTnI检测性能评估
六种IDE传感器均表现出ΔR%随cTnI浓度增加而升高的趋势，且从1-pair到16-pair传感器ΔR%逐渐增大，但32-pair传感器出现明显下降。16-pair传感器在PBS中实现最低LOD（0.08 fM）和较宽线性工作范围（1 fM–10 pM），灵敏度为6.22%/M。32-pair传感器性能下降归因于nanoMIPs过量堆积导致的空间位阻、非特异性结合增加及电场扰动减弱等。选择性测试表明，8-pair和16-pair传感器在IL-6、CRP、BNP和NT-proBNP等干扰物存在下仍能选择性检测cTnI。长期储存稳定性研究表明，16-pair传感器在4 °C冷藏条件下6周内性能稳定，而室温条件下5周后性能开始下降。
2.6 IDE传感器在人工唾液和混合人唾液中的性能评价
在人工唾液中，8-pair和16-pair传感器均表现出ΔR%随cTnI浓度升高的趋势，线性工作范围均为10 fM–10 pM，但16-pair传感器灵敏度（7.9%/M）和LOD（0.94 fM）优于8-pair传感器（5.5%/M，1.29 fM）。在混合人唾液中，16-pair传感器保持正ΔR%趋势，LOD为0.71 fM，且能选择性检测cTnI。研究指出，人工唾液中的ΔR%值高于PBS，这归因于基质差异。
五、讨论与结论
研究讨论部分指出，IDE传感器的响应机制主要归因于cTnI结合引起的界面静电环境调节，而非直接的电子转移。电双层电容模型分析表明，cTnI结合可改变纳米MIP层内的局部偶极分布，进而调节电极界面的电双层电容和局部电场，导致传感器电阻降低。该机制解释了为何在纳米MIP层厚度超过德拜长度时仍能观察到显著电阻变化。与现有cTnI检测方法相比，本研究的IDE传感器在制备成本、操作简便性、检测限和线性范围等方面具有明显优势。未来工作将集中于开发集成IDE传感器芯片的即时检测原型设备，并进行患者唾液样本的临床验证，随后解决nanoMIPs大规模合成和表面均匀固定等商业化技术挑战。研究人员认为，该导电性IDE传感器有望成为面向即时检测应用的未来医疗设备。
