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研究团队 | 作者
酥鱼 | 编辑
H2O2是人体中最重要的代谢产物之一，在生理条件下对细胞的增殖、分化和迁移起着关键作用。然而，H2O2水平的过高可能与各种病理状况有关，如癌症、阿尔茨海默病和帕金森病等，这使得H2O2的准确测量对于预防、诊断和治疗这些疾病是迫切而重要的。在H2O2测定的众多分析策略中，比色方法和电化学方法由于其高灵敏度、操作简单和低成本的优点而被认为是最通用的传感策略。然而，不依赖大型设备和专业操作的高度小型化H2O2传感器却很少被探索。这主要是由于难以开发简单的传感策略以及传感芯片和信号处理的有效集成。
西北工业大学材料学院文丹教授与生命学院李光磊副教授共同发表了题为“Portable visual and electrochemical detection of hydrogen peroxide release from living cells based on dual-functional Pt-Ni hydrogels”的工作，构建了基于Pt-Ni双金属复合结构气凝胶的便携式H2O2传感器，该气凝胶由合金纳米线和Ni（OH）2纳米片组成，对H2O2展现了出色的类酶活性和电催化性能。
基于PtNi3气凝胶的H2O2传感平台在比色和电化学方法中都表现出显著的性能，具有宽的线性范围、低的检测限（LOD）、强大的长期稳定性和对常见干扰物的良好选择性。结合M5stack开发板，成功构建了集成PtNi3气凝胶比色试纸的便携式视觉H2O2传感器和集成PtNi3改性丝网印刷电极（SPE）的便携式电化学H2O2传感器。最后，对HeLa细胞释放的H2O2进行了准确的定量分析，验证了所研制的生物传感器的实用性。这项工作不仅证明了金属气凝胶的多功能性，而且为高性能和低成本的传感器设计提供了新的策略。
图1 PtNi3气凝胶的表征：（A） PtNi3气凝胶的SEM、（B）TEM、（C）HRTEM、（D）元素图谱图像、（E）XRD图谱、（F）XPS全谱以及（G）Pt 4f和（H）Ni 2p谱图
首先利用SEM和TEM来观测PtNi3气凝胶的形态和微观结构（图1A-D）。它表现出由相互交联的纳米线网络和褶皱的纳米片组成的高度多孔的双凝胶结构（图1A和B），大的比表面积确保了生物传感的高灵敏度。在高分辨率TEM图像中，从纳米线测量的晶面间距值为0.211nm（图1C），其可归属于Pt的（111）面。该值小于金属Pt的值，表明可能形成Pt-Ni合金。此外，纳米片的晶面间距为0.261nm，指向Ni（OH）2的（100）晶面。41.83°、71.16°和84.26°处的衍射峰位于金属Pt（PDF 04-0802）和Ni（PDF 04-0850）的衍射峰之间，进一步证明了Pt的晶格收缩和PtNi3气凝胶中Pt-Ni合金的形成（图1E）。此外，Pt 4f和Ni 2p的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）图谱分别显示出金属态和氧化态，说明电子从Ni转移到Pt（图1 F-H）。
图2 PtNi3气凝胶在H2O2比色传感中的分析性能。（A-B）PtNi3气凝胶在25℃下，在0.10M PBS（pH 5.0）和0.50 mM TMB中存在不同浓度的H2O2时的吸收光谱，（C）H2O2在652.0 nm处与吸光度的校准曲线；（D）PtNi3气凝胶对H2O2传感的选择性和（E）长期稳定性；（F） HeLa细胞中H2O2的检测
然后系统地评估了基于PtNi3气凝胶的比色传感的性能。图2A示出了具有不同浓度H2O2的TMB溶液UV-vis光谱和相应的光学图像。如图2A-C所示，ox-TMB在652.0 nm处的吸光度随着H2O2浓度从0.10 μM增加到10.0 mM而增加。此外，研究了PtNi3气凝胶用于H2O2测量的长期稳定性。使用同一批的PtNi3气凝胶每5天测量0.10 mM H2O2。从图中可以看出，即使在60天后，催化活性也能很好地保持（RSD=2.30%），这表明基于PtNi3气凝胶的传感平台具有出色的长期稳定性。从图2F中可以看出，在含有HeLa细胞的溶液中加入0.50 μM CHAPS后，观察到显著的吸光度，而在没有HeLa细胞的相同溶液中，吸光度没有变化，利用校准曲线计算H2O2浓度为2.08 μM，证实了开发准确灵敏的H2O2传感器的可行性。
图3 PtNi3气凝胶在H2O2电化学传感中的分析性能。（A） PtNi3/GCE在-0.10V、-0.20V和-0.30V电压下的i-t曲线；（B） 在-0.30V的电压下连续添加H2O2在PtNi3/GCE处记录的i-t曲线和（C）相应的校准曲线；（D）抗干扰实验；（E）0.10mM H2O2在PtNi3/GCE下持续60天的电流响应；（F） PtNi3/GCE对CHAPS刺激HeLa细胞释放的H2O2的i-t曲线
通过i-t曲线测试了基于PtNi3气凝胶的电极用于H2O2电化学检测的分析性能。选择-0.30 V作为优化的偏置电压（图3 A和B）。气凝胶在0.50 µM-5.0 mM的宽线性范围灵敏度为172.82 μA mM-1 cm-2。此外，如图3D所示，常见的干扰物质（0.20 mM UA、0.20 mM AA、0.20 mM Glu、0.20 mM KCl、0.20 mM NaCl）相对于0.10 mM H2O2没有显著的电流干扰。我们还探索了PtNi3气凝胶催化H2O2的长期稳定性，结果如图3E所示。气凝胶在60天的测量中显示出一致的电流响应（RSD=3.48%），证明了其长期稳定性。我们最终测量了CHAPS刺激的HeLa细胞分泌的H2O2。加入CHAPS（0.50 μM）后可以观察到明显的电流响应（如图3F）。根据图3C中的校准曲线，计算出H2O2的浓度为1.84 μM，进一步验证了PtNi3气凝胶在细胞传感方向的适用性。
图4便携式视觉和电化学H2O2传感器的示意图和应用。（A-C）基于试纸的便携式可视H2O2传感原理图和相应的校准曲线。（D-F）便携式电化学H2O2传感的示意图和相应的校准曲线。（G-H）用便携式视觉和电化学传感器测量HeLa细胞释放的H2O2。（I）分别用便携式比色传感器、紫外-可见分光光度计、便携式电化学传感器和电化学工作站测量的H2O2浓度的比较
最后利用气凝胶构建了用于测量H2O2的双便携式视觉和电化学传感器（如图4所示）。然后使用这两种便携式传感器来测量CHAPS刺激的HeLa细胞中的H2O2含量。对于比色传感器，在3分钟内测得的H2O2浓度为1.97 µM（见图4G），这与使用UV-vis分光光度计（2.08 µM）获得的结果非常吻合。对于电化学传感器，HeLa细胞分泌的H2O2含量在6秒内测量为1.77 µM，这也与电化学工作站测定的值（1.84 µM）非常一致（图4H-I）。这些结果证明了我们的H2O2传感器在实际应用中的可靠性。
此文章发表在国际著名期刊Microsystem&Nanoengineering上(DOI: 10.1038/s41378-023-00623-y)，并受Nature Portfolio Communities邀请，为“Behind the paper”专栏撰写评述“Dual-Functional Aerogel Assists in the Portable Biosensing”
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