双金属纳米酶EC-SPR微流控传感平台，实现片上原位监测活细胞H2O2水平
2025-08-30 22:18:58 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
东南大学研究人员构建了一种集成式微流控EC-SPR传感系统，利用MXene和Au@Co基底芯片，实现了对活细胞过氧化氢（H2O2）释放的实时监测。
过氧化氢（H₂O₂）是生物系统中一种关键的活性氧（ROS），在多种生理和病理过程中发挥着重要作用。作为细胞内和细胞外的信号介质，H₂O₂在生理相关浓度下参与调节细胞增殖、免疫反应和代谢活动。H₂O₂水平的异常升高会诱导氧化应激，导致一系列细胞损伤，包括DNA损伤、蛋白质和脂质过氧化以及信号转导通路的破坏。这些改变与多种疾病的发生和发展密切相关，例如心血管疾病、糖尿病、神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）和恶性肿瘤。因此，实时监测并准确量化细胞内H₂O₂水平，对于阐明其在病理生理过程中的作用机制至关重要。
微流控芯片以其微型化、集成化和低消耗等特点，已成为动态监测活细胞的前沿设计。微流控芯片可用于培养、观察和检测细胞培养物。将电化学传感与微流控芯片结合，能够对细胞内的微量生物分子进行连续实时生物分析，从而促进对动态生物过程的监测。然而，单一电化学检测容易受到复杂生物环境中的背景噪声干扰。通过将生物元件（例如酶和抗体）与传感器结合，可以提高选择性，但生物分子的固定化过程仍面临稳定性挑战。因此，结合电化学和表面等离子体共振（SPR）技术的光谱电化学技术可以实现互补优势。
作为一种新型二维材料，MXene凭借其优异的物理化学性质，已成为理想的催化剂载体。它具有较大的比表面积和丰富的官能团，能够提供更合适的活性位点，有利于纳米晶体的分散和固定。同时，MXene的半金属特性产生局部表面等离子体共振效应，赋予其良好的光吸收和电催化能力。利用MXene纳米片作为模板合成贵金属复合功能材料，在高性能电化学-SPR生物传感器领域具有广阔的应用前景。
近年来，纳米酶的研究成为提高H₂O₂传感器稳定性和可靠性的热点。金纳米颗粒等贵金属纳米颗粒是H₂O₂酶模拟和酶自由检测的常用材料。由贵金属和过渡金属结合形成的双金属纳米颗粒比相应的单相纳米颗粒具有更强的催化性能，克服了单金属纳米颗粒的局限性，扩展了纳米酶技术在复杂生物环境中的应用范围。因此，集成纳米材料类酶活性的传感平台在生物医药领域具有广阔的应用前景。
据麦姆斯咨询报道，东南大学的研究人员开发了一种电化学-表面等离子体共振（EC-SPR）微流控分析系统，利用MXene负载的Au@Co双金属纳米酶（MBE）芯片，在金传感表面监测细胞中H₂O₂的释放。相关研究成果已经以“MXene/Au@Co bimetallic enzyme EC-SPR microfluidic sensing platform for on-chip in situ monitoring of H₂O₂ in living cells”为题发表于Microchemical Journal期刊。
MXene/Au@Co双金属纳米酶合成及EC-SPR微流控分析系统示意图
（a）癌细胞在抗坏血酸（AA）刺激下释放H₂O₂的示意图。（b）癌细胞对AA刺激的电流反应。（c）不同实验组的安培响应值比较。（d）不同实验条件下正常细胞的电流响应。（e）添加和不添加AA时癌细胞和（f）正常细胞的SPR信号动力学。
该集成微流控系统由一个阀控双通道注射口、自动流注射系统、流体出口和MBE芯片组成。双通道注射口的优势在于，它可以在注入抗坏血酸（AA）刺激诱导细胞的同时，持续注入缓冲溶液以维持流体池中细胞的存活，从而消除实验中的系统误差，提高数据的准确性和可靠性。MXene的层状结构提供了丰富的纳米通道，有利于H₂O₂分子的快速吸收和传输。这主要归因于电子-电子相关效应下增强的平面电子传输特性。系统中引入金和钴原子改变了MXene的电子结构，加速了电子转移并增强了局部SPR性能。
总之，在本研究中，研究人员构建了一种集成式微流控EC-SPR传感系统，利用MXene/Au@Co基底芯片，实现了对活细胞H₂O₂释放的实时监测。得益于MBE芯片独特的层状结构、巨大表面积及优异的反射特性，该系统在伏安法检测与SPR测量中均表现出色。该传感器平台兼具出色的灵敏度、特异性、重现性，以及长期稳定的运行性能和实用性，为H₂O₂的生物分析提供了理想解决方案。通过实时监测多种类型活癌细胞释放的H₂O₂，所开发的微流控生物传感器可作为研究H₂O₂相关生理与生化过程的重要平台。此外，该传感器的优化设计及创新的微流控架构，不仅有助于深入理解细胞内动态氧化还原环境，还将推动连续、实时监测与诊断应用的开发。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.microc.2025.114888
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