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博文

NML综述:用于即时癌症诊断的下一代MXene基智能电化学适配体传感器

已有 841 次阅读 2022-7-1 20:26 |系统分类:论文交流

癌症是威胁人类生命健康的一个重大疾病,一旦发病,患者的生存率不容乐观。传统诊断方式,包括PET、CT、X射线和组织活检,仍然是临床癌症诊断的主要方式。然而,它们都不能对癌症进行早期诊断。因此,传统诊断方式对提高患者生存率的帮助有限。早期诊断是发病前的诊断,通过新技术和新策略,可以及早发现疾病,降低死亡率,挽救患者的生命。早期诊断是检测与癌症的发展和进展相关的重要标志物,这些生物标志物的量化可以反应癌症的进展阶段。先前,使用PCR和ELISA的方法对这些生物标志物进行检测,准确性和灵敏度较低。最近,使用生物传感器进行早期诊断引起了研究者们极大的兴趣。这些生物传感器有光学的、压电式的和电化学的。其中,基于电化学的生物传感器为癌症生物标志物的早期检测提供了一个高度灵敏、快速且具有成本效益的平台。
Next‐Generation Intelligent MXene‐Based Electrochemical Aptasensors for Point‐of‐Care Cancer Diagnostics

Arpana Parihar, Ayushi Singhal, Neeraj Kumar, Raju Khan*, Mohd. Akram Khan, Avanish K. Srivastava

Nano-Micro Letters (2022)14: 100

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00845-1

本文亮点
1. 介绍了用于检测癌症生物标志物的基于MXene的电化学适配体传感器

2. 介绍了生物标志物特异性适配体的设计和合成策略

3. 讨论了MXenes的导电性、化学稳定性、机械性能和亲疏水性等特性

4. 重点讨论了未来的传感应用及其挑战

内容简介
癌症的早期诊断有望及早发现疾病,降低死亡率,挽救患者的生命。最近,基于二维材料的传感器在癌症早期诊断中表现出的优异潜能引起了研究人员的关注。其中,MXene基的二维材料表现出高的表面积、活跃的表面官能团和优良的导电性等优点。基于MXene合成的电化学适配体传感器对癌症标志物的检测下限能达到飞摩尔级别,并且合成方便、易于重复、稳定性好,具有广阔的应用前景。印度CSIR-AMPRI的Raju Khan课题组综述了基于MXene的电化学适配体传感器的设计和合成,包括各种合成过程以及其特性(光、热、磁、电以及机械性能),列举了一些已应用于检测癌症标志物的MXene电化学适配体传感器。最后,作者讨论了未来的传感应用及其挑战。
图文导读
适配体的设计方法

癌症相关的生物标志物是临床上衡量癌症进展程度的重要指标。由于肿瘤的异质性,不同癌症的生物标志物不同。同一类癌症的不同肿瘤分型的生物标志物也会发生变化。传统的检测生物标志物的方式有聚合酶链式反应(PCR)、免疫组织化学、流式细胞术等。这些方法灵敏度较低,并且需要精密仪器运作,使用起来多有不便。使用生物传感器进行早期诊断能达到快速检测的目的,并且灵敏度较高。传统的抗体、酶、核酸作为生物识别元件(BRE)在不同环境下的稳定性存在差异。适配体作为新的BRE,是个不错的选择。适配体是与目标分子特异性结合的单链DNA、RNA序列。适配体具有优异的化学和热稳定性,并且易于大批量合成。生物标志物通过SELEX系统选出与之亲和力高的适配体序列(图1a),适配体和抗体作为BRE的比较见图1b。

图1. (a) 适配体的合成方法及电化学检测;(b) 适配体和抗体作为生物识别元件的比较。

II MXene的合成和性质

二维材料MXene属于二维过渡金属碳化物和碳氮化物。MXene是通过在适当的溶剂或溶液中进行选择性蚀刻的工艺生产。蚀刻通常在酸性溶液中进行,导致表面官能团的终止,使其可以进一步使用。MXene具备优异的亲水性、电化学、机械和光学特性等。MXene表现出高的表面积、表面功能性、亲水性、高稳定性、高导电性和无害性质等,使其成为分析化学应用中很有前途的材料。

2.1 MXene的结构和合成

MXene的通式为Mₙ₊₁Xₙ,而MAX相的通式为Mₙ₊₁AXₙ,其中n = 1、2或3。M是过渡金属(Ti、V、Nb、Mo、Cr、Ta、Hf),A是13或14族元素(Si、Ge、Al、Sn等),X主要是C和/或N。在MAX相中,Mₙ₊₁Xₙ是稳定层,而A层由较弱的键组成。从MAX相(Ti₃AlC₂)蚀刻A层产生Ti₃C₂(MXene)。M和A层插入在具有六边形结构的相之间,X原子占据由M元素产生的八面体位置(图2a)。从MAX相中去除A元素导致了多层MXene的产生(图2b)。最近的研究表明MXene的OD、1D、2D和3D维度(图2c)。2D MXene表现出较大的比表面积,从而确保对目标分析物的检测具有高灵敏度。MAX相具有高硬度、低密度和高耐腐蚀性,同时还具有高导电性和导热性以及增强的可加工性。MXene具备的理想特性见图2d。

图2. (a) MXene的结构;(b) MXene的合成;(c) MXene基于维度的分类;(d) MXene的特性。

由于低成本、简单性和可扩展性,从二元元素高温合成MAX相是最常用的方法。在这种方法中,TiC、Ti和Al粉末在球磨中混合(图3a和b),惰性气体(氩气)条件下,在管式炉中1400℃退火2小时,加热和冷却速率为3 ℃ min⁻1(图3c)。粉末在筛选前用盐酸(HCl)洗涤以去除杂质(金属和金属间化合物)(图3d)。

图3. 与MAX阶段生产相关的步骤 (a) 球磨;(b) 氧化钝化;(c) 高温合成;(d) 酸洗去除干扰物。

根据文献,MXene合成的几种方法可分为自上而下法、湿化学刻蚀法和自下而上法(图4a-c)。在合成MXene时,应妥善处理PPE套件、手套、通风柜以及正确使用酸(图4d)。

图4. MXene的合成方法 (a) 自上而下法;(b) 湿化学刻蚀法;(c) 自下而上法,(d) 合成MXene的注意事项。

通过将均匀的聚苯胺层浇铸到3D多孔Ti₃C₂Tiₓ MXene上来创建超快聚苯胺@MXene阴极。由Li等人提出,具有相同表面负电荷的PS球体和Ti₃C₂Tiₓ MXene薄膜均匀地分散在水中,然后可以真空辅助过滤成柔性PS@Ti₃C₂Tiₓ薄膜(6 m),Ti₃C₂Tiₓ MXene薄膜包裹在PS球体表面(500 nm),该薄膜的电导率为600 S cm⁻1(高于具有类似结构的3D石墨烯薄膜12 S cm⁻1)(图5a)。Lipatov等人描述了一种高质量单层Ti₃C₂Tiₓ薄片的新合成方法,使用该法制造了两种Ti₃C₂Tiₓ薄片(图5b)。方法一是将Ti₃AlC₂粉末浸泡在LiF-HCl溶液中,LiF与MAX的摩尔比为5:1,有超声。方法二是将LiF与MAX的摩尔比增加到7.5:1,这为嵌入提供了过量的Li⁺离子。Alhabeb等人利用多种蚀刻剂和分层工艺生产碳化钛(Ti₃C₂Tiₓ),这是研究最多的MXene。XRD显示,对于Ti₃C₂Tiₓ,Ti₃AlC₂的(002)峰从9.5°移动到9.0°,然而蚀刻后的5、10和30F–Ti₃C₂Tiₓ没有残留的Ti₃AlC₂峰(图5c)。列举的MXene和MXene QDs的表征见图5d-j。

图5. (a) 以PS球为模板制备3D大孔PANI@M-Ti₃C₂Tiₓ框架的示意图,插图为3D PANI@M-Ti₃C₂Tiₓ薄膜的SEM;(b) 通过两种不同途径合成Ti₃C₂Tiₓ,有或没有超声,插图显示了合成的Ti₃C₂Tiₓ薄片的AFM;(c) Ti₃AlC₂粉末和Ti₃C₂Tiₓ MXene粉末的XRD;(d) MXenes的SEM;(e) Ti₃C₂Tiₓ@FePcQDs杂化结构的HR-TEM;(f) 各种样品的FTIR光谱;(g) 各种样品的XPS光谱;(h) 块状MXene和MXene QDs的拉曼光谱;(i) MXene QDs的紫外-可见吸收光谱,插图显示拟合的带隙值;(j) MXene QDs的激发和发射光谱。

2.2 MXene的特性

高杨氏模量、可调带隙、导热和导电性是MXene的一些独特特性。MXene的亲水性表面以及高导电性和导热性使其与大多数二维材料不同。最终,不同过渡金属M和X元素的特定组成,以及通过化学和热过程对表面进行不同的功能化,导致其结构和形态变化,可用于调整它们的性质和应用性能。

2.2.1 MXene的机械性能

由于存在最强的M-C和M-N键以及比MAX相高两倍的弹性常数(c11),MXene的机械性能引起了很多关注。钛基MXene薄盘表现出亲水行为,接触角为27至41度,而Ti₃C₂Tiₓ的接触角为35度。随着MXene碳化物和氮化物层数n的增加,杨氏模量趋于降低。此外,基于氮化物的MXene化合物比碳化物具有更大的价值。末端的存在降低了弹性常数的值,但增加了临界变形程度。MXene的弹性常数值显着高于石墨烯。使用AFM尖端的纳米压痕技术检测2D纳米材料的机械性能,Ti₃C₂Tiₓ单层杨氏模量为333 ± 30 GPa。

2.2.2 MXene的光学性能

Ti₃C₂Tiₓ薄膜在300至500 nm的范围有吸收光,在5 nm厚度下的透射率高达91.2%。此外,根据薄膜厚度,它可能在700-800 nm的范围内有强吸收,导致薄膜呈淡绿色,有望用于光热治疗(PTT)。值得注意的是,可以通过调整厚度和离子嵌入来提高透射率。官能团的存在会改变这些二维化合物的光学特性。与纯MXene相比,MXene中的存在-F、-O和-OH的封端会降低可见光范围内的吸收和反射率,提高了紫外光范围内的反射率。最近证明MXene横向薄片尺寸的减小会导致吸光度值降低。

2.2.3 MXene的热性能

模拟研究表明,MXene基材料的热膨胀系数低且导热性优于磷烯和单层MoS₂。据观察,氧封端化合物的热导率随着金属M原子序数的增加而增加。使用MLWF生成半无限Mo₂MC₂O₂晶格的边缘绿色函数,其虚部产生局部状态密度(LDOS),由此确定边缘状态的能量色散。Mo₂HfC₂O₂之字形边缘上的LDOS,其中一对拓扑边缘状态连接体导带和价带,在M点产生单个狄拉克锥(图6a)。Mo₂TiC₂O₂和Mo₂ZrC₂O₂产生相似的结果。需要进一步探索粒径与热导率之间的关系,强调在MXenes合成中进行形态控制和优化。

2.2.4 MXene的磁性能

与MAX相不同,MXene可以被磁化。F官能团使Ti₃CNTiₓ和Ti4C3Tiₓ无磁性,而OH和F基团使Cr₂CTiₓ和Cr₂NTiₓ在环境温度下具有铁磁性,而Mn2NTiₓ无论表面何种官能团封端都具有铁磁性的。如图6b所示,对于Cr₂CF₂和Cr₂CFCl,MXene和基板之间的距离分别为2.76和2.57 Å,仅显示出较弱的范德华键。SiC(0001)上的Cr₂CF₂和Cr₂CFCl保留了补偿的反铁磁耦合。对称分布的Cr₂CF₂的DOS意味着没有自旋极化,而Cr₂CFCl保留了BMSAF特性。Janus Cr₂CXX的MXene保留的BMSAF特性对纳米器件的应用具有重要意义。

2.2.5 MXene的电性能

MXene压制的圆盘比氧化石墨烯和碳纳米管具有更高的电导率,并且类似于多层石墨烯。此外,MXene中的层数和官能团的存在可以提高电阻率值。每个刻蚀过程产生的缺陷浓度、分层产率、MXene薄片之间的d间距、表面官能团及其横向尺寸在确定MXene的电导率方面起着至关重要的作用。Ti₃C₂Tiₓ的测量电导率范围为850至9880 S cm⁻1。一般来说,具有较低氢氟酸(HF)浓度和刻蚀周期的MXene具有较少的缺陷和较大的横向直径,从而提高了导电性。与小尺寸MXene相比,较高的薄片尺寸增强导电性。用于材料表面改性的热处理和碱处理可以提高导电性。图6c显示布里渊区特定方向的能带结构和态密度(DOS),可以看到确定传输参数(例如电导率)的整个费米表面的形式。图6d所示各种终端的MXene的功函数(为了比较,Sc和Pt的功函数用虚线表示)。Cr₂C MXene的能带结构(图6e)。

图6. (a) 锯齿形边缘上Mo₂HfC₂O₂的局部状态密度,连接体价带和导带的边缘态在M点形成单个狄拉克锥;(b) 支持在SiC (0001) 衬底上的Cr₂CF₂和Cr₂CFCl的态密度;(c) 能带结构和费米面;(d) 具有各种终端的MXene的功函数;(e) Cr₂C MXene的能带结构。
III 用于癌症诊断的MXene电化学适配体传感器
在最近的研究中,基于的MXene电化学适配体生物传感器已被用于检测各种癌症生物标志物(表1)。cDNA-ferrocene/MXene(MUC1)的电化学适配体传感器用于检测乳腺癌标志物粘蛋白1(Mucin 1)。该适配体传感器具有1-10 μM的宽线性范围和0.33 pM的LOD,适用于临床诊断。Zhou等人合成了嵌入聚吡咯的Ti₃C₂Tiₓ MXene和磷钼酸(PMo12)的纳米杂化物(PPy@Ti₃C₂Tiₓ/PMo12)。把骨桥蛋白(OPN)适配体连接到PPy@Ti₃C₂Tiₓ/PMo12构建用于检测OPN的适配体传感器。该适配体传感器检测下限为0.98 fg mL⁻1,可用于检测人血清样品中的OPN。使用基于MXene-MoS₂异质结构的电化学生物传感器测定血清中的microRNA-21(miR-21),该传感器显示出从100 fM到100 nM的宽线性范围和约26 fM的LOD。此外,CD63适配体修饰的Ti₃C₂ MXene传感器能有效检测来自各种癌细胞的外泌体,包括OVCAR、HeLa和BT474,并且在血清样本中具有高度特异性,具有优异的癌症早期诊断潜力。该适配体传感器显示出5 × 102 particles μL⁻1到5 × 10⁵ particles μL⁻1的线性范围,LOD为229 particles μL⁻1。
表1. 用于癌症诊断的基于MXene的电化学适配体传感器(灵敏度和检测限)。

IV 当前挑战和展望

自2011年发现MXene以来,MXene被广泛应用于包括诊断和治疗在内的不同领域。迄今,已有多达70种MXenes被开发出来,MXene家族还在不停地壮大。需要不断改善MXene的光、电、热、磁以及机械性能,从而获得可调尺寸、有序结构、坚固的表面端接以及高的产量。通过控制或改变MXene片之间的离子动力学,以获得所需的电子电导率,有助于制造具有更低电阻和更高电导率的传感器,以获得更低的LOD。最近,利用离子凝胶和嵌入聚合物基质中的MXenes来制造高度耐用的电子皮肤。需要探索这些可穿戴传感器并将其用于医疗监测。从MAX阶段合成MXene的传统过程中会使用含氟化合物。含氟化合物会带来安全隐患,也会限制MXene的产量。使用盐酸的无氟方法蚀刻MAX相的MXene容易造成过度蚀刻。因此,迫切需要寻找新的蚀刻方法。此外,MXene的合成过程需要使用有毒化学品和苛刻的实验条件。因此,需要探索新的实验路线和条件来合成新型的MXene。MAX相中M仅限于Ti、V、Nb、Mo、Ta、Hf元素,需要探索更多可以用作MAX中M的元素。可以设计新的异质结构,进一步扩展MXenes系列。尽管适配体在早期诊断中具有优异的前景,但是适配体也有许多缺陷,包括多分析物检测困难、交叉反应性、精密度差。适配体设计的限制因素是文库设计。它通常取决于寡核苷酸的质量和长度、结构稳定性、特定的结合序列。寡核苷酸的质量取决于核苷酸的比例和适配体文库的复杂程度。基于MXene和适配体的设备可以作为即时检验(POCT)设备进行商业化,与支持物联网的手机结合,形成即时、高效、个性化的快速检测平台。

结束语

尽管肿瘤学领域取得了各种进展,但癌症仍然对人们的健康造成巨大的伤害。这篇综述介绍了MXene、基于MXene的材料以及它们与适配体的结合来制造用于癌症诊断的电化学适配体传感器。文章重点关注当前趋势、重要障碍和未来发展。文章介绍了用于检测癌症生物标志物的MXene电化学适配体传感器。开发MXene电化学适配体传感器用于癌症的实时和早期诊断仍有很长的路要走。将MXene电化学适配体传感器和智能手机结合,优化POCT的检测系统,有望形成即时、高效、个性化的快速检测平台。

作者简介
Raju Khan

本文通讯作者

印度CSIR-AMPRI 研究科学家
主要研究领域

分析化学、基于电化学的生物传感器、基于荧光的生物传感器、生物标志物、即时诊断、食品化学、抗菌应用、纳米结构材料。

Email: khan.raju@ampri.res.in

撰稿:《纳微快报(英文)》编辑部
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2020JCR影响因子达16.419,学科排名Q1区前10%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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