基于納米材料的細胞釋放生物信號分子電化學傳感器的研究進展

王彩霞， 王俊怡， 黎夏彤， 舒 婷， 王小波， 王 詩*

(湖北科技學院藥學院，湖北咸寧 437100)

1 引言

生命體結構和功能的基本單元為細胞，細胞則通過釋放各種信號分子進行胞間信息傳導交流，進而實現對機體整體功能調節(jié)控制，如果信號分子在生命系統(tǒng)中異常表達會導致多種疾病。NO是由NO合酶產生的親脂性、高度擴散性的氣體信號分子[1]，高水平NO可造成細胞毒性與亞硝基應激，與腦缺血、腦部感染和神經退行性疾病的神經元死亡有關[2]。H2S不僅是血管調節(jié)分子，還是大腦內神經遞質和神經調質信號分子，參與學習、記憶和疼覺調節(jié)，H2S的異常產生和代謝與缺血性中風、阿爾茲海默癥、帕金森氏病和癲癇發(fā)作的機制相關[3]。H2O2作為信使分子，通過細胞和組織擴散可引發(fā)細胞形狀改變、細胞增殖和免疫細胞增殖等細胞效應[4]，涉及多種退行性改變或氧化應激有關的疾病[5]。因此，對細胞釋放的生物信號分子進行準確、實時和動態(tài)監(jiān)測，對認識胞間信息交流機制、分析正常生理過程，以及揭示疾病的分子機制具有重要意義。由于細胞釋放的各種信號分子濃度較低，半衰期短[6]，檢測必須具有高靈敏度、高選擇性及快速響應能力的特點。

近年來，電化學分析方法發(fā)展迅速，如電化學陣列傳感器、微電極電化學檢測，以及活體、微區(qū)或單細胞分析等技術已被用于實時監(jiān)測細胞釋放的生物信號分子。電化學陣列傳感器以陣列中每根電極所產生的電化學信號為檢測信號，具有高通量、快速和高選擇性等特性[7]。隨著微電子技術的應用，傳感器陣列技術的發(fā)展可以減少樣品體積降至亞微升水平，但其對于細胞特異性較低[8]。活體電化學分析能夠更加真實直接地反映各種生理病理過程中對外界刺激的反應[9]，但生命體系復雜性，分子間相互作用多樣性使活體電化學傳感器面臨嚴峻挑戰(zhàn)。單細胞分析技術精密度高，但是難以實現高通量[10]。因此，利用合適的檢測手段實現細胞釋放生物信號分子的實時、動態(tài)監(jiān)測仍然充滿挑戰(zhàn)。電化學分析中未修飾電極容易受到外界或者內部干擾，因此研究者們利用納米材料固定細胞，用以保持細胞的生物活性并提高電化學響應信號。因此，尋找具有易于制備、低成本、高穩(wěn)定性等優(yōu)點的納米材料一直是研究的重點[11]，如：納米金屬材料，包括金屬納米顆粒(Au、Pt、Ag、Cu等)[12]、金屬氧化物(Cu2O等)[13]，具有高比表面積、高電子遷移率、熱穩(wěn)定性和機械強度等特性[14]；納米非金屬材料如石墨烯[15]、碳納米管[16]、碳納米纖維和碳量子點[17]等，具有較大比表面積、高導電性，可再生性和結構多樣化等特點[18]；納米復合材料如金屬材料或非金屬材料與碳材料復合，復合后電化學反應活性增強，材料的力學性能得到顯著提升，具有極高的可塑性和強度[19]，可更準確快速的實時監(jiān)測細胞釋放的生物信號分子。

本文通過總結近年基于納米材料的電化學傳感器用于檢測細胞釋放的生物信號分子的研究進展，為未來深入研究細胞傳感器提供參考。

2 碳納米材料

2.1 碳納米管

碳納米管(CNTs)是單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管，具有優(yōu)異的力學、電子、熱力學等特性[20]。Bai等[16]利用碳點(CDs)修飾的多壁碳納米管(MWNTs)提高傳感器的電催化活性，用于實時檢測從細胞中釋放的H2O2。Du等[21]通過將單壁碳納米管(SWNTs)和Nafion膜修飾到碳纖維微盤電極表面，用于單個人臍靜脈內皮細胞NO釋放的實時檢測。Sahraoui等[22]將(APy)6[H2W12O40] 共價接枝到SWNTs-COOH表面，對H2O2的檢測靈敏度提高了38.5倍。

2.2 石墨烯

石墨烯(Graphene,Gr)是一種具有單原子厚度的二維碳材料，sp2鍵合C原子緊密堆積在蜂窩晶格結構中，具有高導熱性、化學柔韌性、優(yōu)異的電子特性和機械強度[23]。Guo等[24]在芘丁酸功能化Gr表面共價結合RGD肽構建仿生膜供細胞附著生長。該仿生膜修飾傳感器具有出色的選擇性和穩(wěn)定性，能夠實時檢測細胞釋放的NO。Yusoff等[25]利用Gr修飾玻碳電極(GCE)，該修飾電極對NO的氧化表現出出色的電催化性能。Hu等[26]將3-氨基苯基硼酸(3-Aminophenylboronic acid，3-APBA)的仿生特性與Gr泡沫的電化學特性相結合，開發(fā)了一種3-APBA功能化的Gr泡沫網絡，可用于實時監(jiān)測從三維支架培養(yǎng)的細胞中釋放的H2S。Devi等[27]也報道了一種9，10-苯醌系氧化Gr修飾的GCE，用于包含H2S在內的硫化物離子的電催化氧化分析。Manibalan等[28]利用氧化石墨烯(GO)膜修飾電極作為傳感器，可以實時定量檢測大腸桿菌內產生的H2S。

3 金屬納米材料

各種金屬納米粒子Cu、Ag、Ti等因其獨特物理化學特性具有低毒、高表面積和易于表面功能化等特點，被廣泛用于制造非酶型H2O2傳感器。Qi等[29]開發(fā)了一種基于Fe3O4-Ag納米材料的電化學傳感器，可以在0.5 μmol/L～4.0 mmol/L的線性范圍內檢測H2O2。Kang等[30]在不添加表面活性劑的情況下，通過電沉積和電流置換反應，在Cu箔上合成樹枝狀納米Ag-Cu，將其修飾在電極上進行H2O2檢測，結果顯示納米Ag-Cu具有良好電還原活性。Yin等[31]采用在納米多孔Au表面電沉積Pt納米顆粒(Pt NPs)的方法修飾Au電極，由于Pt MPs對H2O2具有良好電催化活性，納米多孔Au可增加有效表面積并促進電子轉移能力，結果顯示H2O2檢測的線性范圍為1.0×10-7～2.0×10-5mol/L。Karuppiah等[32]構建了基于Pd NPs和Nafion修飾的超高選擇性和高靈敏的無酶型H2O2傳感器。此外，PtW納米晶體和MoS2納米片結合形成的雜化納米材料對H2O2的還原也具有良好的催化反應[33]。

過渡金屬磷化物因其類金屬特性表現出極好電催化還原活性。Li等[34]通過制備磷酸銅納米線，首次實現了基于過渡金屬磷化物材料的傳感器。構建的這種傳感器用于檢測腫瘤細胞釋放的H2O2，檢測限達到 2 nmol/L。

電化學傳感器檢測細胞中釋放的H2S鮮有報道。Zhao等[35]利用Au-Ag核殼-納米粒修飾電極用于檢測Hela細胞釋放的H2S，其線性范圍為0.1～500 nmol/L。

4 納米復合材料

4.1 復合金屬/碳材料

與單獨的碳材料相比，復合金屬/碳材料可以提供獨特的特性[36]。各種Gr -金屬納米粒子已用于H2O2的檢測，如Gr與Ag納米粒[37]、Pt納米粒[38]、Au納米粒[39]等的結合使電化學傳感器表現出優(yōu)異電催化性能。Gr與金屬氧化物結合而成的納米復合材料用于H2O2檢測也是熱點之一。Fang等[40]基于Fe3O4-還原氧化石墨烯(RGO)納米復合材料，制備了一種無酶型電化學傳感器，并用于檢測從Hela細胞釋放的H2O2。

MnO2對H2O2有電催化活性[41]。Dong等[42]采用MnO2納米線/RGO為柔性電極，檢測巨噬細胞釋放的H2O2，方法具有良好的穩(wěn)定性、選擇性和重現性。也有研究者合成羥基氧化鈷納米薄片組合在GO表面，表現出優(yōu)異電化學性能，H2O2的檢測限為0.01 μmol/L[43]。Wang等[44]將NiCo2O4-CoNiO2納米材料嵌入Gr中，將該復合材料修飾電極用于檢測從癌細胞中釋放的H2O2，結果顯示傳感器表現出高靈敏度和低檢測限(0.41 μmol/L)。

細胞釋放的NO濃度低、半衰期短，因此監(jiān)測細胞中NO含量需要傳感器有足夠的靈敏度和生物相容性。Liu等[45]利用Au納米材料和CNTs的復合納米材料，設計了一種可伸縮電化學傳感器，該復合納米材料不僅具有極好的細胞相容性，還具有出色的電化學性能。研究表明，Gr-Au納米復合材料[46]、CeO2-RGO納米復合材料[47]、Pt-Fe(Ⅲ)氧化物納米復合材料[48]修飾的電化學傳感器也對NO的檢測表現出明顯的電催化反應。Dou等[49]在氮摻雜石墨烯片上生長高度分散的Au納米材料檢測癌細胞中釋放的NO。Xu等[50]合成的酞菁功能化的氮摻雜Gr納米復合材料也表現出優(yōu)異電催化活性，該復合材料修飾電極可以實時監(jiān)測活細胞釋放的NO。

復合金屬材料/碳材料也廣泛用于H2S的檢測。Asif等[51]在導電CNTs支架上接CuMn層狀雙氫氧化物納米片，形成獨特的核-殼結構，因核-殼結構有大量表面活性部位和層狀雙氫氧化物優(yōu)越的比表面積，對活細胞釋放的H2S氧化表現出優(yōu)秀的電催化活性。Shang等[52]設計了基于GO/亞甲基藍/Ag納米復合材料的電化學傳感器用于檢測生物樣品中H2S，由于GO的良好吸附能力和樹枝狀Ag納米結構，該電化學傳感器具有高靈敏度、高選擇性和良好的穩(wěn)定性。

4.2 復合非金屬/碳材料

Balamurugan等[53]將普魯士藍微立方體與Gr化CNTs混合，通過水熱法形成納米復合材料，用于修飾電極來實時追蹤哺乳動物細胞釋放的H2O2，結果顯示該傳感器具有響應速度快、檢測限低的特點。Jiao等[54]利用聚二烯丙基二甲基氯化鈉封端的RGO烯納米片組成有效電極用于動態(tài)監(jiān)測細胞內H2O2，線性范圍為0.05 μmol/L～5.5 mmol/L，檢測限為1.2 nmol/L。Zhang等[55]基于還原的血紅蛋白和SWCNTs研制了一種高靈敏度生物傳感器，用于檢測從活細胞中釋放的H2O2，研究表明所制備的傳感器對H2O2檢測表現出高的靈敏度、選擇性和親和性。

此外，將CNTs與聚合物如聚苯胺[56]、聚乙醇烯[57]、聚吡咯[58]等形成CNTs/聚合物復合材料也顯示出良好電催化反應。量子點(Quantum Dots，QDs)具有良好的細胞相容性、低細胞毒性的特點[59]也成為近年來研究熱點。Zhang等[60]設計了新型N、S摻雜的QDs/Gr雜化納米片，可催化Raw 264.7細胞釋放的H2O2的還原反應。Cai等[61]發(fā)現Co3O4QDs-胺化碳納米管(ACNTs)對H2O2還原的電催化效應遠高于Co3O4納米顆粒-ACNTs。

復合非金屬材料/碳材料也可用作催化NO的電催化媒介。Zheng等[62]利用偶氮胭脂紅B功能化的MWCNTs設計了一種電化學傳感器，該傳感器用于檢測鼠肝臟細胞中釋放的NO，結果表明在2.2×10-7～1.2×10-4mol/L范圍內，氧化電流隨NO濃度呈線性增加，表現出高的穩(wěn)定性、靈敏度和選擇性。

5 結語

本文綜述了基于碳、金屬等納米材料的電化學傳感器檢測細胞釋放的NO、H2S及H2O2。納米材料的納米級尺寸可以增加檢測靈敏度；高導電性加快了電子轉移能力；生物相容性為檢測細胞釋放的各種信號分子提供了更多的可能性。但納米材料也存在一些問題，例如機制不確定，合成制備較復雜影響實驗結果的穩(wěn)定性與重現性等。因此，發(fā)展具有更出色催化活性并安全可靠的新型納米材料勢在必行。

細胞分泌的各種信號分子在機體整體調節(jié)中起至關重要作用，而檢測各種信號分子的方法對正常生理過程及揭示疾病的分子機制具有重要意義。近年來，細胞電化學傳感器迅速發(fā)展，在細胞的實時動態(tài)監(jiān)測上已經得極大進步。然而不同疾病情況下細胞所呈現不同狀態(tài)，利用細胞電化學傳感器精確測定不同狀態(tài)下細胞釋放的信號分子仍具有挑戰(zhàn)。細胞電化學傳感器領域還有待于人們更加系統(tǒng)而深入的研究，若能連續(xù)監(jiān)測不同生理病理條件下細胞所釋放的生物信號分子，將更有利于為臨床分析提供依據。