便携式电化学微工作站同时检测多种生物标志物

阿尔茨海默病是一种最常见的痴呆症类型，主要发生在老年人中，已成为严重威胁人类生命和健康的疾病。虽然目前还没有可靠的治疗AD的方法，但大量研究表明，在AD的早期阶段进行早期干预是一种重要而有效的策略。因此，早期诊断对临床治疗至关重要。正电子发射断层扫描(PET)和脑脊液(CSF)中β-淀粉样肽(Aβ40、Aβ42)、T-tau和P-tau181的水平是AD临床诊断的金标准。

然而，基于PET和CSF生物标志物的检测由于成本高、侵入性和不可获得性，难以用于公众的一般筛查。因此，需要建立便携式、低成本、无创的AD血液标志物定量检测方法，如Aβ40、Aβ42、T-tau和P-tau181。在血液中，AD血液标志物的生理浓度为每毫升约皮克的水平，这超出了经典方法酶联免疫吸附试验(ELISA)的测量极限。

迄今为止，已经开发了大量的分析方法来检测AD血液生物标志物(a β40、a β42、T-tau和P-tau181)，包括离子迁移-质谱法(IM-MS)、比色法、电化学、荧光法和表面增强拉曼光谱法(SERS)。其中，电化学生物传感器具有灵敏度高、反应速度快、成本低、易于小型化等优点，在疾病诊断和个人医疗保健方面具有很大的应用潜力。

基于微阵列的传感技术已广泛应用于药物发现、生物传感器和高通量分析[14-18]。传统的阵列传感技术使用96孔板、384孔板或更多孔板作为载体。样品被限制在微腔中，因此溶液操作和信号收集受到限制。而基于开放通道液滴的传感平台由于液滴易于控制、样品消耗少、信号采集多而被用于生物传感。

最近，基于微型柱的开放通道液滴传感平台实现了三维细胞培养和高通量分析，该平台在不考虑极端物理和化学性质的情况下，易于形成稳定的液滴阵列。大多数微柱传感平台通过比色法或荧光法获取液滴中的信号。最近报道了一种基于微型支柱的集成电化学微阵列传感器，用于检测疾病的生物标志物。每个电化学单元由微型柱隔开，与所有电极位于同一样品溶液中的典型电极阵列相比，减少了干扰。

图1 a便携式电化学微工作站平台原理图。b电化学微阵列的真实图片。c微型工作站内部结构。

图2 微型柱式便携式电化学传感器的设计与构建。

虽然这些电化学微阵列传感器平台表现出优异的性能，但它们还需要实验室的电化学工作站，以便在家庭护理点测试或个人保健中使用。Liu等人¹开发了一种便携式电化学微工作站平台，该平台由电化学微工作站(尺寸:2 cm×1 cm×0.5 cm)和微型柱状电化学微阵列(尺寸:4 cm×4 cm)组成，可同时检测血液中的多种AD生物标志物(图1a)。

基于微柱的电化学微阵列用于液滴样品处理和信号生成。微型工作站用于信号的调节和采集。此外，信号还可以通过内置的蓝牙传输到智能手机上。如图1所示，该电化学微阵列集成了4×4微型柱阵列(J1至J16)嵌入式三电极和高通量分析电路。

在微柱表面，每个电化学单元都可以获取液滴中的电化学信号，基于三电极系统的所有电化学单元集成在一起，形成一个高通量的电化学微阵列平台。基于微型柱的每个电化学单元都是独立的，消除了信号干扰和交叉污染。

在该便携式传感平台中，利用微型工作站进行信号调节和采集，然后通过内置的蓝牙将信号传输到智能手机上。图1b为电化学微阵列电路和微工作站内部结构。如图1c所示，微工作站由微控制器(1)、电阻-电容(2)、线性稳压器(3)和蓝牙收发器(4)组成。电路单元与PDMS迷你柱的集成过程如图2a所示。

基于该便携式电化学微工作站平台，成功实现了血清中AD生物标志物(a β40、a β42、T-tau、P-tau181)的高灵敏度检测。该便携式电化学微工作站平台具有优异的分析性能，为阿尔茨海默病的早期诊断和个人医疗保健提供了一种有前景的策略。

1.Liu, Y.;  Huang, Z.;  Xu, Q.;  Zhang, L.;  Liu, Q.; Xu, T., Portable electrochemical micro-workstation platform for simultaneous detection of multiple Alzheimer’s disease biomarkers. Microchim. Acta 2022, 189 (3), 91.

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