集成聲學(xué)諧振器和電化學(xué)芯片的微流控平臺實現(xiàn)過氧化氫檢測

過氧化氫（H?O?）在調(diào)節(jié)細胞代謝、增殖、分化和凋亡方面起著至關(guān)重要的作用。細胞內(nèi)H?O?的過量產(chǎn)生和積累還會引起氧化應(yīng)激，導(dǎo)致細胞成分的破壞，進而引發(fā)神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、白血病和癌癥等多種疾病。因此，H?O?水平可以作為早期診斷各種疾病的生物標志物。然而，細胞內(nèi)的H?O?極不穩(wěn)定，難以動態(tài)檢測，因此，開發(fā)可以準確檢測細胞內(nèi)H?O?的方法迫在眉睫。

電化學(xué)法具有檢測速度快、靈敏度高、操作簡便等優(yōu)點，為細胞內(nèi)H?O?的檢測提供了一種強有力的方法。在傳統(tǒng)的電化學(xué)檢測方法中，科研人員通常采用包括辣根過氧化物酶（HRP）和微過氧化物酶-8（MP8）在內(nèi)的天然酶來修飾電化學(xué)工作電極，以實現(xiàn)H?O?的選擇性檢測。這些酶可以選擇性地催化H?O?，但存在成本高、穩(wěn)定性差等缺點。近年來，基于納米材料的酶（納米酶，nanozymes），包括貴金屬納米材料、過渡金屬納米材料、碳基納米材料等成為了天然酶的替代品。這些納米材料具有明顯的類似酶的催化特性和傳感性能，并且具有成本低、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢。

在所有已經(jīng)報道的納米酶中，金納米顆粒（AuNPs）因為具有催化活性高、電子轉(zhuǎn)移快和性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，成為用于H?O?檢測的最有吸引力的傳感元件。然而，基于金納米顆粒的襯底的制造通常采用化學(xué)鍵合或物理吸附方法，難以將金納米顆?？煽亍⒕鶆虻匦揎椩趥鞲斜砻?，阻礙了其實際應(yīng)用。電沉積合成納米材料的方法具有可控性強和一步到位的優(yōu)點，是一種潛在的優(yōu)越方法。但是，利用這種方法合成的納米顆粒通常尺寸較大且不規(guī)則，不適用于活細胞的電化學(xué)分析。

微流控技術(shù)是一種能夠操控和分析微升級樣品的新興技術(shù)。將電化學(xué)方法與微流控技術(shù)相結(jié)合，能夠以更高的檢測靈敏度和更短的響應(yīng)時間實現(xiàn)對生物分子的特異性檢測。最近，聲學(xué)與微流控技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)被證明是精確操控微/納米級流體的一種很有前途的工具。通過將聲學(xué)器件與微流控通道集成，聲學(xué)器件產(chǎn)生的聲波在穿過固液界面時會發(fā)生能量耗散，從而實現(xiàn)對流體局部的高度可控地驅(qū)動，這一技術(shù)稱為聲流（acoustic streaming，AS）。這種聲流在溶液混合和泵送方面具有一定的優(yōu)勢，目前已經(jīng)與微流控技術(shù)成功結(jié)合，并被用于樣品的分離、濃縮和操控。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，天津大學(xué)的科研人員開發(fā)了一種集成聲學(xué)諧振器和電化學(xué)芯片（EC）的微流控檢測系統(tǒng)，用于檢測細胞內(nèi)的H?O?。相關(guān)研究成果以“Enhanced on-Chip modification and intracellular hydrogen peroxide detectionvia gigahertz acoustic streaming microfluidic platform”為題發(fā)表在UltrasonicsSonochemistry期刊上。

該研究構(gòu)建的微流控檢測系統(tǒng)如圖1所示。千兆赫茲（GHz）固態(tài)裝配型諧振器（SMR）與電化學(xué)芯片分置在微流控通道兩側(cè)。H?O?和其他溶液通過入口管注入微通道，確保電化學(xué)芯片和固態(tài)裝配型諧振器都充分暴露在液體環(huán)境中。當(dāng)受到千兆赫茲交流電壓信號的激勵時，固態(tài)裝配型諧振器通過逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為周期性的機械振動。在諧振器的作用下，微流控通道中會產(chǎn)生穩(wěn)定并且快速流動的聲渦流。

圖1 集成聲學(xué)諧振器和電化學(xué)芯片（EC）的微流控平臺的（a）原理圖及其（b）制造過程

在這項研究中，科研人員從理論上優(yōu)化了電化學(xué)芯片周圍的柔性可控流體，并首次將其應(yīng)用于金納米顆粒的超聲電化學(xué)沉積。在聲流穩(wěn)定、快速的流動刺激下，合成的金納米顆粒比正常條件下的尺寸更小、分布更均勻，從而使金納米顆粒表現(xiàn)出優(yōu)異的過氧化物酶樣活性。此外，聲流還加速了目標分子的質(zhì)量傳遞，提高了催化速率，從而增強了對H?O?的檢測能力，其檢測限極低，僅為32 nM，并且靈敏度高達4.34 μA/mM/mm2。

圖2 基于聲流（AS）的金納米顆粒（AuNPs）超聲電化學(xué)沉積

圖3 合成的金納米顆粒（AuNPs）的電化學(xué)性能

圖4 聲流（AS）對電化學(xué)催化動力學(xué)的影響

圖5 有（橙線）無（藍線）聲流的情況下，電化學(xué)芯片-金納米顆粒-聲流（EC-AuNPs-AS）系統(tǒng)對過氧化氫（H?O?）的電流響應(yīng)

最后，作為概念驗證，科研人員將優(yōu)化后的微流控平臺用于不同細胞系中H?O?的檢測。由于H?O?水平異常與癌癥有關(guān)，因此該研究選擇Hela（人宮頸癌細胞）和MCF-7（人乳腺癌細胞）細胞系作為腫瘤細胞模型，與此同時，選擇MCF-10（人正常乳腺上皮細胞）和NE-4C（小鼠神經(jīng)干細胞）細胞系作為正常對照組。實驗結(jié)果表明，腫瘤細胞系（MCF-7/Hela）的電流響應(yīng)遠高于正常細胞系（MCF-10/NE-4C），其中MCF-7細胞系的電流響應(yīng)最高。這些結(jié)果意味著H?O?的產(chǎn)生可能與細胞系的類型有關(guān)。因此，該系統(tǒng)有望在實際應(yīng)用中有效地監(jiān)測細胞內(nèi)的活性氧。

圖6 細胞內(nèi)過氧化氫（H?O?）的監(jiān)測

展望未來，這項研究提出的策略可以擴展到對其他生物或化學(xué)樣品的高靈敏度檢測中，并且GHz聲學(xué)諧振器與電化學(xué)芯片的結(jié)合將成為推動分析領(lǐng)域發(fā)展的潛在手段。

審核編輯：劉清