关键词:
牙周炎
氧化应激
电化学传感
金属有机框架
碳化钛
双功能纳米酶
摘要:
研究背景:
牙周炎是全球第六大慢性炎症性疾病,发病率高,且症状隐匿,易被忽视,往往产生不可逆的牙周组织破坏。因此,有必要对牙周炎进行早期诊断及监测。近年来,牙周炎相关的生物标志物在疾病检测中取得了重要进展。其中,过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2)和抗坏血酸(ascorbic acid,AA)作为活性氧和抗氧化剂的代表物质,是唾液中最典型的氧化应激生物标志物,其表达水平随着疾病的发生发展和治疗不断变化。对牙周炎微环境中的H2O2和AA水平进行同时检测,对牙周炎诊断和监测具有重要意义。
电化学传感技术以其高度灵敏、成本低廉、操作简便和易于小型化的特性被广泛应用。纳米酶是一类具有类似天然酶的催化活性和反应动力学的纳米材料,凭借高稳定性、可调性和功能多样性,已成为推动电化学传感发展的关键驱动力。基于纳米酶的电化学传感为双标志物的共同识别提供了解决方案,但是有限的活性和特异性是实际应用面临的两大挑战。此外,高电压条件下进行的灵敏检测伴随着高背景信号和高能耗的问题。因此,设计一种双功能靶向性高活性纳米酶对于牙周炎微环境氧化应激双标志物的共检测和低能耗传感平台的构建至关重要,也为牙周炎的早期诊断和监测提供了新策略。
实验目的:
构建基于双活性位点金属有机框架/碳化钛(Pt@Cu-TCPP(Fe)/Ti3C2Tx)增强型双功能纳米酶的柔性、低功耗电化学传感平台,对牙周炎微环境氧化应激标志物H2O2和AA进行同时检测并分析传感机制,通过实验室水平、人工唾液和临床样本检测,探究其牙周炎微环境氧化应激评估和疾病诊断的能力。
实验方法:
1.通过表面活性剂辅助的水热合成方法制备Cu-TCPP(Fe)纳米片,并通过还原剂还原法使Pt纳米团簇限域生长在纳米片孔道内;通过氢氟酸蚀刻碳钛化铝的方法制备少层Ti3C2Tx纳米片并与Pt@Cu-TCPP(Fe)通过氢键自组装,合成Pt@Cu-TCPP(Fe)/Ti3C2Tx增强型纳米酶。
2.使用透射电镜(transmission electron microscope,TEM),高分辨透射电镜(high-resolution TEM,HRTEM)及能量色散X射线光谱分析(energy dispersive X-ray,EDX)对合成的Pt@Cu-TCPP(Fe)/Ti3C2Tx纳米酶进行形貌表征。通过X射线衍射(X-ray diffraction,XRD),拉曼图谱,傅里叶红外变换光谱图(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)和X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)进一步验证纳米酶的组成和表面化学特性。
3.通过滴铸法将合成的Pt@Cu-TCPP(Fe)/Ti3C2Tx纳米酶修饰在自制的丝网印刷电极(screen-printed electrode,SPE)表面,制备用于同步检测唾液中H2O2和AA的双通道柔性电化学传感器。
4.通过循环伏安法(cyclic voltammetry,CV)、电化学阻抗(electrochemical impedance,EIS)和计时电流法(current-time,I-t),明晰传感机理,优化纳米复合材料比例、施加电位等实验参数。
5.在实验室水平下,探究双功能纳米酶检测H2O2和AA的电化学性能。
6.在生理条件下,探究双功能纳米酶拟酶活性、活性位点、反应机理,通过理论计算进一步解析自供电H2O2检测的原理和双活性位点的催化机制。
7.利用人工唾液和不同程度牙周炎患者临床唾液样本,探究该传感器对牙周炎的诊断和监测能力。
实验结果:
1.成功合成Pt@Cu-TCPP(Fe)和Ti3C2Tx二维纳米片,Pt纳米团簇均匀分散于Cu-TCPP(Fe)的孔道内。Pt@Cu-TCPP(Fe)与Ti3C2Tx纳米片通过氢键结合,增强型纳米酶成功制备。
***和EIS结果表明Pt@Cu-TCPP(Fe)/Ti3C2Tx增强型双功能纳米酶已成功制备。实验参数优化结果为Pt@Cu-TCPP(Fe)/Ti3C2Tx=15/1时纳米酶电化学性能最强。经过电压优化,综合考虑灵敏度和选择性,H2O2和AA分别在0 V和0.45V下取得最优的传感结果。
***@Cu-TCPP(Fe)/Ti3C2Tx增强型纳米酶修饰的电极对H2O2和AA的检测不仅具有高灵敏度、宽检测范围(10 n M–1 m M)和低检测限(6 n M和15 n M),还具有优异的抗干扰性、特异性、复现性、长期稳定性和柔性。
4.在生理条件下,纳米酶中的Fe位点具有过氧化物酶(peroxidase,POD)样活性和过氧化氢酶(catalase,CAT)样活性,Pt位点具