基于二硫化锡纳米片的电化学生物传感器：唾液皮质醇快速灵敏检测

摘要

皮质醇是典型应激激素，由下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴分泌，是心理和生理应激的关键生物标志物。皮质醇长期过表达可导致库欣综合征和阿狄森病等严重疾病，凸显快速即时检测（POC）的必要性。本文报道一种基于二硫化锡（SnS₂）纳米片多层膜、皮质醇特异性抗体（C-M_ab）和牛血清白蛋白（BSA）固定在玻碳电极（GCE）上的非侵入式电化学唾液皮质醇检测法。BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE传感器经电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）表征。差分脉冲伏安法（DPV）显示对100 pM至100 µM皮质醇浓度呈线性响应，检测限（LOD）100 pM，灵敏度0.0103 mA M⁻¹ cm⁻²（R²=0.9979）。传感器测得唾液样本结果与ELISA吻合度在5%以内，展现临床相关性和特异性。该装置为监测应激相关生物标志物提供快速、低成本的替代方案。

引言

皮质醇是HPA轴释放的类固醇激素，是评估心理应激最广泛使用的生物标志物。其昼夜节律清晨峰值、夜间下降，失调可触发从库欣综合征到阿狄森病等疾病。准确实时监测皮质醇对诊断和管理多种应激相关疾病（包括PTSD、抑郁症、自闭症谱系障碍）至关重要。

现有实验室方法——色谱法、放射免疫分析、ELISA、SPR、QCM——受限于实验室、耗时、昂贵，限制POC应用。电化学免疫传感器依赖特异性抗原-抗体相互作用，具仪器简单、读数快、低成本、高灵敏度等优势，是极具前景的解决方案。唾液皮质醇检测因其非侵入性和最少样本处理而特别受青睐。

虽然许多金属硫化物纳米材料已用于生物传感，但二硫化锡（SnS₂）鲜少作为蛋白质固定化基质。SnS₂是n型半导体，带隙2.18-2.44 eV，载流子迁移率高，化学稳定性优异，是电化学转换的理想平台。本工作利用二维SnS₂纳米片构建高灵敏度皮质醇传感器，覆盖生理浓度范围。

材料与方法

材料

氢化可的松、抗兔皮质醇抗体（C-M_ab）、六氰合铁酸钾(II/III)、β-雌二醇、睾酮、孕酮、皮质酮、牛血清白蛋白（BSA）购自Sigma-Aldrich（美国圣路易斯）。四氯化锡五水合物和硫代乙酰胺分别由Showa（日本）和Alfa Aesar（英国）提供。磷酸缓冲液（PBS）和微抛光氧化铝分别来自Sigma-Aldrich和Buehler（英国）。所有试剂未经进一步纯化直接使用。商业皮质醇ELISA试剂盒（Cat # SA E-6000）购自LDN（德国）。

二硫化锡合成

将SnCl₄·5H₂O和C₂H₅NS溶于70 mL去离子水，调节pH至7.4。转入水热合成釜，1 h内升温至200℃，保温11 h。所得SnS₂粉末经水和乙醇洗涤（6000 rpm，15 min），80℃空气干燥，得均匀纳米片。

材料表征

X射线衍射（XRD）确认六方SnS₂相（JCPDS 89-2358）。场发射扫描电镜（FE-SEM）显示片层形貌，横向尺寸~300 nm。透射电镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）确认单晶结构，晶格间距0.167 nm和0.316 nm；纳米片厚度<10 nm。

BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE生物传感器制备

玻碳电极（GCE）用氧化铝浆料抛光，滴铸5 M SnS₂分散液。电极依次在PBS中孵育1 mg mL⁻¹ C-M_ab和1% BSA溶液。成品传感器不用时4℃保存。检测概念和装置见图1。

检测系统研究概念与装置

电化学分析

采用电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）评估传感器电化学行为。所有测量用三电极体系：BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，电解液为含5 mM Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻的10 mM PBS（pH 7.4）。CV和差分脉冲伏安法（DPV）扫描范围-0.4 V至1.0 V，扫描速率10 mV s⁻¹。

唾液样本采集与电化学检测

两名健康志愿者中午提供2 mL唾液样本。样本-20℃冷冻，解冻后离心（3500 rpm，15 min），取上清液分析。传感器皮质醇测量结果与ELISA试剂盒对比。

干扰研究

潜在干扰物——β-雌二醇、睾酮、孕酮、皮质酮（各100 nM）经传感器孵育10 min后测CV响应。对皮质醇检测影响<5%。

ELISA法检测唾液皮质醇

ELISA按厂家方案操作。用六个皮质醇浓度（0、0.1、0.4、1.7、7.0、30 ng mL⁻¹）建立标准曲线。450 nm读取吸光度，用标准曲线定量未知样本。

结果与讨论

SnS₂材料分析

XRD图谱（图2a）匹配六方SnS₂相（JCPDS 89-2358）。FE-SEM图像（图2b,c）显示均匀300 nm片层颗粒。TEM（图2d-f）确认单晶片层，层间距0.167 nm和0.316 nm，总厚度<10 nm。

a SnS₂ XRD图谱。FE-SEM图像（b ×250,000，c ×100,000）。d SnS₂纳米片TEM图像。e 横截面TEM及放大视图。f SAED图案。

电极电化学响应

向GCE添加SnS₂显著增强氧化电流（图3a,b）。后续抗体和BSA修饰增加电荷转移电阻，EIS数据反映（图3b）。BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE在10-100 mV s⁻¹扫描速率下CV显示峰值电流线性增加（图3c,d），确认表面可控可逆氧化还原过程。

a GCE、SnS₂/GCE、C-M_ab/SnS₂/GCE、BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE的CV曲线。b 各电极EIS图谱。插图：等效电路。c 氧化电流vs扫描速率。d 电流vs扫描速率线性拟合。e BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE对皮质醇（100 pM-100 µM）的CV曲线。f 标定曲线（lg皮质醇）。g BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE对皮质醇（100 pM-100 µM）的DPV曲线。h DPV标定曲线。

CV和DPV均显示峰值电流随皮质醇浓度增加单调下降。DPV得线性关系：y = -0.0103x + 0.0443（R²=0.9979），LOD 100 pM，灵敏度0.0103 mA M⁻¹ cm⁻²。传感器动态范围（100 pM-100 µM）覆盖唾液皮质醇全生理谱。