基于自催化与抗污细胞膜水凝胶界面的高响应Signal-on生物传感器用于超灵敏免疫分析

1.引言

食管癌（esophageal cancer，EC）早期往往没有特别明显的症状，一些患者发现时已经进入中晚期，因此寻找可靠的血清标志物对早期筛查具有重要意义。鳞状细胞癌抗原（SCCA）是目前较常用的肿瘤标志物之一，其水平变化可以为食管鳞状细胞癌的辅助诊断和病情监测提供参考。问题在于，早期阶段SCCA在血液中的含量通常比较低，而且真实血清中又含有大量蛋白质和其他生物分子。这些成分很容易黏附到电极表面，使传感界面逐渐被“污染”，不仅会影响抗原与抗体的结合，还会阻碍电子传递，最终造成背景信号升高或者检测信号下降。电化学发光（ECL）本身具有灵敏度高、背景低等优势，非常适合做低丰度生物标志物检测，但如果电极一放进血清里就被蛋白覆盖，再好的信号放大也会受到影响。因此，这项研究没有只盯着“怎么让信号更强”，而是同时考虑两个问题：一是怎样让电极在复杂血清中保持干净，二是怎样让少量SCCA也能产生明显的ECL变化。为了解决第一个问题，研究人员把红细胞膜引入γ-聚谷氨酸/PEDOT水凝胶中。RBCM具有天然的生物界面，能够减少蛋白质的非特异性吸附，而PEDOT则提高水凝胶的导电性。解决了抗污问题之后，研究又设计了一个靶标触发的Signal-on体系：S QDs被提前装进介孔SiO₂中，只有当SCCA被识别后才释放出来参加ECL反应；同时，Pd纳米立方体继续催化过硫酸根产生更多SO₄•⁻，把S QDs的发光信号进一步放大。简单来说，这个传感器就是一边尽量降低背景干扰，一边把真正由SCCA产生的信号放大。

2.结果与讨论

整个传感界面以GPRP水凝胶为基础，其中RBCM主要负责抗污，PEDOT改善导电性，Pd纳米立方体则承担催化放大的作用。样品中没有SCCA时，S QDs被封装在介孔SiO₂中，因此ECL背景信号比较低。当SCCA出现后，抗原与抗体发生特异性结合，原本被Au纳米颗粒封闭的介孔结构发生响应，内部的S QDs被释放出来。释放后的S QDs参与ECL反应，而Pd NCs同时促进S₂O₈²⁻生成更多SO₄•⁻，于是发光信号快速增强，形成典型的Signal-on响应。

图 1 多功能GPRP水凝胶的组装、免疫传感器构建及靶标触发Signal-on检测原理。

S QDs整体呈比较均一的近球形，平均粒径约3.04 nm，在390 nm激发下可以在约490 nm处产生明显的荧光发射。XPS结果也证实材料中存在硫元素以及相关含氧硫基团。Pd纳米立方体的平均边长约7.5 nm，材料中同时存在Pd⁰和Pd²⁺。这种价态变化使Pd具有较好的催化活性，可以促进过硫酸根参与反应，并增加SO₄•⁻的生成量。也就是说，S QDs负责发光，而Pd NCs负责让这个发光过程更充分。

图 2 S QDs的形貌、粒径、光谱和XPS表征，以及Pd纳米立方体的形貌与价态分析。

MSN-NH₂呈比较均一的纳米球形貌，平均粒径约330 nm，比表面积达到458.58 m²/g，平均孔径约6.8 nm，因此内部具有较大的负载空间，可以装载较多S QDs。S QDs进入介孔以后，Au纳米颗粒被固定到MSN表面，用来封闭孔道，再进一步偶联Ab₂，形成对SCCA具有响应能力的释放单元。没有靶标时，S QDs基本被锁在材料内部；出现SCCA后，识别过程触发孔道开启，S QDs被释放出来。与此同时，GPRP水凝胶表现出连续的多孔结构，元素分析中能够检测到C、N、O、Si、S和Pd等元素，说明各功能组分已经成功组装。PEDOT加入后，水凝胶的导电性也得到改善，使抗污界面不会因为绝缘性太强而影响后续ECL信号传递。

图 3 MSN载体、Au-Ab2封孔结构及GPRP水凝胶的形貌、孔结构与光谱表征。

抗污性能是这套传感器比较重要的一部分。裸GCE、GCE/GPP和GCE/GPRP的水接触角分别为78.28°、43.16°和18.21°。随着RBCM加入，接触角明显下降，说明表面亲水性明显增强。FITC-BSA实验也得到了类似结果，GPRP界面上的蛋白吸附最少。更关键的是，在100%人血清中，GCE/GPRP的DPV信号只下降约2.77%，而裸GCE下降接近45%。这说明RBCM水凝胶并不是只在简单缓冲体系里有效，在真实血清这种复杂环境中也能明显减少电极污染。在信号放大方面，S QDs的ECL效率为9.35%，加入Pd纳米立方体以后，由于过硫酸根被进一步催化，体系能够产生更多SO₄•⁻，因此ECL信号明显增强。所以这部分可以理解为：RBCM尽量把无关蛋白挡在外面，而Pd NCs专门负责把真正的检测信号放大。

图 4 GPRP水凝胶的抗蛋白吸附性能及Pd纳米立方体促进S QDs电化学发光的机制验证。

在没有SCCA时，传感器的ECL背景只有约318 a.u.；加入1 ng/mL SCCA后，信号增加到约10980 a.u.，信背比达到34.5。如果去掉Pd纳米立方体，信背比只有约16.8。这个结果说明，单纯释放S QDs已经能够形成Signal-on响应，但加入Pd催化后，信号可以进一步被明显放大。在优化条件下，传感器对SCCA的线性检测范围为100 fg/mL–1 μg/mL，检测限达到27.7 fg/mL。稳定性方面，连续扫描17次的RSD仅为0.6%；储存90 d以后，信号下降约16.7%；8支独立制备的传感器之间RSD为1.1%，说明重复性和长期稳定性都比较好。在多种蛋白和其他肿瘤标志物存在的情况下，传感器仍然能够保持较好的SCCA响应。进一步检测5份实际血清样品时，所得结果与ELISA基本一致，说明这种方法不仅在实验室缓冲液中表现良好，在复杂血清环境中同样具有一定应用潜力。

图 5 Signal-on机制、SCCA定量范围、稳定性、选择性、重复性以及与ELISA血清检测结果的比较。

3.总结

红细胞膜水凝胶主要解决复杂血清容易污染电极的问题，PEDOT保证界面具有足够的导电性；介孔SiO₂负责保存并按需释放S QDs，而Pd纳米立方体进一步增强ECL反应。几种材料并不是简单叠加，而是分别解决检测过程中不同的问题。最终，这套传感器实现了27.7 fg/mL的SCCA检测限，在100%人血清中仍能保持较低的非特异性吸附，并且实际样本结果与ELISA具有较好一致性。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2026.119110