原创 一种集成微柱阵列电极，用于快速、超灵敏地检测甲胎蛋白新型微流控芯片

一种集成微柱阵列电极，用于快速、超灵敏地检测甲胎蛋白新型微流控芯片

癌症对人类健康构成严重威胁，癌症生物标志物的早期诊断对于癌症的治疗和控制极为重要。基于电化学的检测成本低、反应灵敏且易于操作，但在准确性、检测限、效率和便携性方面存在一些挑战。微流控装置与电化学方法的结合有望构建高性能传感平台，但仍需要长时间的抗原抗体孵育。因此，需要开发一种新型的微流控芯片，该芯片具有便携性好、孵育时间短、精度高、检出限低、在床旁检测中应用广泛等优点。

开发了一种基于微柱阵列电极的微流控传感器，其中微柱可以产生局部混合流，以减少目标分子的孵育时间并增强其与传感界面的相互作用。此外，在微柱阵列电极上修饰了三维Mxene纤维-金纳米颗粒（3D MF-Au），以增加活性位点并提供更多的电解液穿梭孔。微柱阵列电极引起的电解质湍流可以增强目标分子与传感界面之间的接触，加速氧化还原对的转移，从而减少目标分子的孵育时间，改善与3D MF-Au协同的电化学响应。本文选择AFP检测作为模型，该微流控传感器在0.1 pg mL−1 - 200 ng mL−1范围内具有优异的AFP分析性能，检测限（LOD）低至0.0648 pg mL−1。

该微流控芯片与微柱阵列电极集成，已成功实现检测人血清中的AFP，结果与电化学化学发光法一致。微流控芯片为真实样本的抗原检测提供了便携性、缩短孵育时间、增强电信号的新策略，在床旁检测中显示出巨大的应用潜力。

本文首先提出了一种基于微柱阵列电极的微流控传感器用于分析AFP，其中微柱阵列可以产生局部湍流，以减少目标分子的孵育时间，增强其与电极的相互作用，并加速传感界面处氧化还原对的转移。

癌症因其高发病率和低治愈率而被确定为对人类健康的严重威胁。癌症生物标志物的早期诊断对于治疗和控制癌症极为重要。肝癌是十大恶性肿瘤之一，死亡率很高。甲胎蛋白（alpha-fetoprotein， AFP）作为肝癌的临床标志物，需要准确检测才能进行癌症监测和诊断。已经开发了各种用于AFP监测的方法，例如比色测定、荧光、表面增强拉曼散射和电化学。其中，电化学技术具有成本低、响应快、操作方便等明显优势。然而，更高的精度、更低的检测限、更高的效率和便携性的要求不断挑战着电化学方法检测AFP。

随着微流控应用领域向更复杂的化学和生物体系扩展，微流控器件与电化学测试相结合有望构建出更先进的微流控生物传感器，具有样品消耗低、小型化、便携性和高精度等优点。此外，为了方便检测，微流控生物传感器、便携式电化学工作站和智能手机的结合在即时检测（POCT）的发展中显示出巨大的前景，有望在医学诊断和公共卫生系统中大放异彩。尽管已经研究了许多微流控电化学传感器用于癌症生物标志物的评估，但仍存在一些癌症生物标志物在传感界面中捕获能力相对较低、检测时间长、检测过程缺乏高灵敏度等限制。

为了更高效、更灵敏地检测癌症生物标志物，需要高度富集分析物，这需要微流控芯片的特殊结构设计。在这里，设计了一种与微柱阵列电极集成的新型微流控芯片，以有效捕获目标分子。微柱的阵列设置增强了电解质溶液的湍流，加强了目标分子与传感界面之间的接触，从而进一步增加了抗体与抗原之间的碰撞，从而缩短了抗AFP与AFP之间的孵育时间。此外，电解质湍流可以增强电子在电极表面的传输，进而增加电流响应。

为了进一步提高微流控传感器的分析性能，还需要开发电极界面材料来增强电信号和灵敏度，其中MXenes因其高电导率、大比表面积、低毒性、良好的催化能力和化学稳定性而引起了人们的极大兴趣.Ti3C2Tx MXene因其令人满意的性能而可以很好地用作电极材料，已被应用于过氧化氢、马拉硫磷、金属离子、抗原等的分析。然而，MXenes的堆积和群体聚集问题可能会阻碍电子转移并减小比表面积，因此其应用受到限制。一些策略侧重于将2D MXenes开发成具有高孔隙率的三维（3D）结构，以克服聚集问题。此外，一些研究表明，与MXene纳米片相比，MXene纤维具有独特的线性结构和较大的比表面积，并且可以通过自身交织获得3D交织异质结构，而无需引入模板和外部刚性骨架。因此，由MXene纤维组成的3D导电网络有利于增强基体的电导率和活性位点。此外，金属纳米颗粒在Mxenes上的改性也可以缓解自堆积问题。Pt、Au和Ag等贵金属纳米颗粒因其突出的电子和催化性能而在电化学传感中得到了广泛的研究。其中，金（Au）NPs因其出色的导电性、快速的电子转移能力和优异的生物相容性而受到广泛关注。基于这些优势，制备负载了Au NPs的3D网络MXene光纤将为先进传感器提供理想的接口。

在此，研究了制造局部湍流以增强微流控电化学平台中目标分子与传感界面相互作用的应用。首先提出了一种基于微柱阵列电极的微流控传感器用于分析AFP，其中微柱可以产生局部混合流，以减少目标分子的孵育时间，增强其与电极的相互作用，并加速传感界面处氧化还原对的转移。此外，还合成了3D网络MXene纤维-Au NPs（3D MF-Au）复合材料，并作为信号放大基板，用于在微柱电极表面进行改性，以进一步提高电化学性能。基于上述微柱阵列电极和3D MF-Au的协同作用，所提出的微流控生物传感器可以在更短的时间内捕获更多的抗原分子，同时改善电分析信号。该生物传感器具有 0.1 pg mL−1 - 200 ng mL−1 的宽检测范围和 0.0648 pg mL−1 的低检测限 （LOD） 用于评估 AFP。此外，该生物传感器适用于检测人血清中的AFP，并能达到令人满意的分析结果。该微流控芯片为真实样本的抗原检测提供了缩短孵育时间、增强电信号的新策略，在POCT中显示出广阔的应用前景。

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