過氧化氫（H?O?）在調節(jié)細胞代謝、增殖、分化和凋亡方面起著至關重要的作用。細胞內H?O?的過量產生和積累還會引起氧化應激，導致細胞成分的破壞，進而引發(fā)神經退行性疾病、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H?O?的方法迫在眉睫。

電化學法具有檢測速度快、靈敏度高、操作簡便等優(yōu)點，為細胞內H?O?的檢測提供了一種強有力的方法。在傳統的電化學檢測方法中，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）在內的天然酶來修飾電化學工作電極，以實現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、電子轉移快和性質穩(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分析。

微流控技術是一種能夠操控和分析微升級樣品的新興技術。將電化學方法與微流控技術相結合，能夠以更高的檢測靈敏度和更短的響應時間實現對生物分子的特異性檢測。最近，聲學與微流控技術的結合已經被證明是精確操控微/納米級流體的一種很有前途的工具。通過將聲學器件與微流控通道集成，聲學器件產生的聲波在穿過固液界面時會發(fā)生能量耗散，從而實現對流體局部的高度可控地驅動，這一技術稱為聲流（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，目前已經與微流控技術成功結合，并被用于樣品的分離、濃縮和操控。

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

該研究構建的微流控檢測系統如圖1所示。千兆赫茲（GHz）固態(tài)裝配型諧振器（SMR）與電化學芯片分置在微流控通道兩側。H?O?和其他溶液通過入口管注入微通道，確保電化學芯片和固態(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將電能轉化為周期性的機械振動。在諧振器的作用下，微流控通道中會產生穩(wěn)定并且快速流動的聲渦流。

圖1 集成聲學諧振器和電化學芯片（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)化了電化學芯片周圍的柔性可控流體，并首次將其應用于金納米顆粒的超聲電化學沉積。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）超聲電化學沉積

圖3 合成的金納米顆粒（AuNPs）的電化學性能

圖4 聲流（AS）對電化學催化動力學的影響

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

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，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（小鼠神經干細胞）細胞系作為正常對照組。實驗結果表明，腫瘤細胞系（MCF-7/Hela）的電流響應遠高于正常細胞系（MCF-10/NE-4C），其中MCF-7細胞系的電流響應最高。這些結果意味著H?O?的產生可能與細胞系的類型有關。因此，該系統有望在實際應用中有效地監(jiān)測細胞內的活性氧。

圖6 細胞內過氧化氫（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樣品的高靈敏度檢測中，并且GHz聲學諧振器與電化學芯片的結合將成為推動分析領域發(fā)展的潛在手段。

審核編輯：劉清