基于共电沉积聚苯胺-石墨烯量子点-氧化钨纳米复合材料(表面修饰有金纳米颗粒)的光电化学免疫传感技术用于检测前列腺特异性抗原(PSA)

时间:2026年6月3日
来源:Biosensors and Bioelectronics

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Sepideh Shafaei | Rahim Mohammad-Rezaei | Balal Khalilzadeh 电化学研究实验室,阿塞拜疆沙希德马达尼大学基础科学学院,伊朗大不里士 摘要 敏感且准确的前列腺特异性抗原(PSA)检测在前列腺癌的早期诊断中起着重要作用,但

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Sepideh Shafaei | Rahim Mohammad-Rezaei | Balal Khalilzadeh
电化学研究实验室,阿塞拜疆沙希德马达尼大学基础科学学院,伊朗大不里士

摘要

敏感且准确的前列腺特异性抗原(PSA)检测在前列腺癌的早期诊断中起着重要作用,但由于人体血清中PSA生物标志物的浓度极低,实现这种检测仍然具有挑战性。在这项工作中,基于一种由聚苯胺、石墨烯量子点、氧化钨和金(PANI-GQDs-WOx/Au)组成的协同纳米复合材料,制备了一种用于超痕量PSA检测的光电化学(PEC)免疫传感器。PANI-GQDs-WOx纳米复合材料被共电沉积在石墨化的丝网印刷碳电极(GSCPE)上,随后用金纳米颗粒进行了修饰。这种工程纳米复合材料的合理设计提高了电导率、电子转移效率、光电流响应能力以及生物受体的稳定固定性能。在优化条件下,PEC免疫传感器表现出显著提高的光催化性能,检测限低至75 fg mL-1,线性范围宽达0.1 pg mL-1至100 ng mL-1。最重要的是,该免疫传感器的性能在未经稀释和去蛋白处理的人体血清样本中得到了成功验证。这些结果突显了PANI-GQDs-WOx/Au纳米复合材料在开发快速准确的即时诊断平台方面的巨大潜力,是改进前列腺癌诊断的重要一步。

引言

前列腺癌是全球男性最常见的死亡原因,由前列腺上皮细胞的恶性增生引起(Al-Kasasbeh等人,2015;Rawla,2019;Kawatani等人,2019;Sung等人,2021)。前列腺特异性抗原(PSA)作为前列腺癌的诊断标志物,被广泛用于显示疾病的起始和进展(Schröder等人,2012;Negoita等人,2018)。因此,开发高灵敏度的PSA早期检测方法是研究团队预防前列腺癌的重要目标(Li等人,2022;Shen等人,2022;Xu等人,2022;Wei等人,2023)。
近年来,已经开发出多种PSA分析新技术,如微流控技术(Feng等人,2021)、酶联免疫吸附测定(Gao等人,2023)、场效应晶体管(Gong等人,2024)和石英晶体微天平生物传感器(Chen等人,2023)。上述技术可能存在劳动强度大、成本高和处理时间长的局限性。因此,需要开发替代的、简单且成本效益高的高灵敏度PSA检测方法。
近年来,电化学安全传感器因其低检测限、良好的稳定性、高灵敏度、简单性、便携性和成本效益而受到关注(Nasrollahpour等人,2022;Dezhakam等人,2024;Shafaei等人,2021;Shafaei等人,2022;Karimzadeh等人,2020)。此外,光电化学(PEC)生物传感作为一种高效的分析方法,因其高灵敏度、操作简便、背景信号低和响应时间快而受到认可(Xiao等人,2022;Zhao等人,2021;Mohammad-Rezaei等人,2025)。其预期的分析能力在很大程度上取决于所使用光活性材料的光电转换效率(Li等人,2024;Zang等人,2016)。为了开发灵敏的PEC生物传感器,使用高性能的光活性材料非常重要(Jia等人,2023;Zhu等人,2023)。最近的研究进一步表明,PEC传感器具有固有的低背景噪声、高信噪比和出色的微型化潜力,这显著提高了其在生物传感应用中的分析性能(Xu等人,2026;Wei等人,2023;Hu等人,2026;Akbari等人,2023)。
近年来,导电聚合物因良好的导电性、稳定性和低成本加工性而在电催化领域受到广泛关注。其中一种聚合物是聚苯胺(PANI),由于其优异的光学和电学性能,在传感器和生物传感器中有着广泛的应用(Zhu等人,2022)。石墨烯量子点(GQDs)作为从石墨烯衍生出的零维纳米材料(Yan等人,2019),因其优异的物理化学性质而受到关注。这些固有优势包括出色的化学稳定性、低细胞毒性、高环境兼容性,尤其是出色的光稳定性和光诱导电子转移能力(Hasanzadeh等人,2016c;Hasanzadeh等人,2016a;Hashemzadeh等人,2016;Hasanzadeh等人,2016;Shadjou等人,2016;Hasanzadeh等人,2016b)。因此,GQDs因其独特的性质而在许多生物应用中得到广泛应用(Mehta等人,2017;Tuteja等人,2016)。另一方面,氧化钨纳米颗粒(WOxNPs)因其优异的光催化活性、化学稳定性和良好的生物相容性以及低成本而在传感应用中得到广泛研究(Nasrollahpour等人,2021;Saidi等人,2018;Wang等人,2020)。
贵金属纳米颗粒因其出色的生物相容性、高电化学性能、优异的耐久性、高电子传输能力和导电性而经常被用作传感应用中的增强元素。金纳米颗粒(AuNPs)因其优异的导电性、高表面积、低毒性和良好的生物相容性而在生物传感器中得到广泛应用(Noreen等人,2022;Yang等人,2016;Pakchin等人,2018)。工程化的PANI-GQDs-WOx和AuNPs的协同效应提高了所提出的免疫传感器的光催化性能、导电性以及生物受体的固定强度。
本文介绍了一种基于工程化PANI-GQDs-WOx/Au纳米复合材料的高效PEC免疫传感器,用于PSA的早期检测。所开发的PANI-GQDs-WOx纳米复合材料简单地共电沉积在石墨化的丝网印刷碳电极表面,随后固定了AuNPs和生物受体。该平台表现出高的光催化活性以及改进的PSA检测分析信号,这是临床研究中检测各种生物标志物的一个里程碑。

章节片段

材料与仪器

苯胺(C6H5NH2)、钨酸钠二水合物(Na2WO4·2H2O)、四氯金(III)酸三水合物(HAuCl4·3H2O)、硝酸钾(KNO3)、硫酸(H2SO4)、铁氰化钾(K3[Fe(CN)6】、柠檬酸(C6H8O7)和乙醇(C2H5OH),以及浓度为0.1 M的磷酸盐缓冲液(PBS,pH值为7.4),通过将KH2PO4和Na2HPO4溶解在蒸馏水中,并通过添加0.1 M NaOH和0.1 M HCl调节pH值来制备。链霉亲和素(Strp)、抗PSA抗体(Ab)、PSA抗原(Ag)

所开发PSA免疫传感器的表征

采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)分析了GSPCE、GSPCE/PANI-GQDs、GSPCE/PANI-GQDs-WOx和GSPCE/PANI-GQDs-WOx/Au的结构和形态。图1A显示了GSPCE的FE-SEM图像,其具有良好的石墨化结构,呈现出层状结构。这种形态带来了优异的电导率、高比表面积和适宜的吸附性能,为其他组分的均匀分布提供了理想条件

结论

总之,本研究成功设计并制备了一种高效PEC免疫传感器,用于超灵敏和选择性地检测前列腺癌的关键生物标志物PSA抗原。该工作的主要创新在于在石墨化的丝网印刷碳电极平台上合理组装了PANI-GQDs-WOx/Au结构。这种多组分系统中的独特结构和电子相互作用极大地增强了其功能

CRediT作者贡献声明

Balal Khalilzadeh:撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。Rahim Mohammad-Rezaei:撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。Sepideh Shafaei:撰写 – 原始草稿、软件开发、方法学设计、实验研究、数据分析、数据管理

Akbari Nakhjavani等人,2023;Dhanagar和Shaheen,2025;Huang和Wu,2023;Hasanzadeh等人,2016;Hasanzadeh和Shadjou,2017;Msutu和Mashazi,2025;Razmi和Mohammad-Rezaei,2013;Wei等人,2023;Xu等人,2024。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

本研究中使用和/或分析的数据集可向相应作者索取。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

本项目得到了阿塞拜疆沙希德马达尼大学和大不里士医科大学的支持,项目编号为73841,相关伦理代码为IR.TBZMED.REC

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