DOI: https://doi.org/10.1038/s43246-025-00756-9
تاريخ النشر: 2025-02-17
المؤلف: Sharat Chandra Barman وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد MXene وMAX Phase
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تطوير جهاز استشعار كهربائي كيميائي للكشف عن فيتامين د (Vit-D)، مع معالجة المشكلة الواسعة الانتشار لنقص فيتامين د، خاصة في مناطق مثل الشرق الأوسط وشمال إفريقيا، حيث يتأثر حوالي 80% من السكان. يستخدم جهاز الاستشعار شرائح نانوية من MXene Ti$_3$C$_2$T$_x$ مفعلة بالأجسام المضادة، تم تعديلها من خلال تقنيات الربط الكهروستاتيكي والتساهمي، محققة حد كشف يبلغ 1 pg mL$^{-1}$ ونطاق ديناميكي من 0.1 إلى 500 ng mL$^{-1}$. يشمل هذا النطاق مستويات نقص، وعدم كفاية، وكفاية، وسمية ذات صلة سريرياً، مما يبرز إمكانيات الجهاز للتشخيص المبكر وإدارة القضايا الصحية المتعلقة بفيتامين د.
تؤكد الدراسة على مزايا هذه الطريقة الكهربائية الكيميائية مقارنة بالطرق التقليدية، التي غالباً ما تكون مكلفة ومعقدة، مما يجعلها غير مناسبة للاختبار اللامركزي. تم التحقق من أداء جهاز الاستشعار من خلال تقنيات توصيف متنوعة، مما يدل على قوته وحساسيته. توضح هذه الدراسة وعد أجهزة الاستشعار القائمة على MXene في تعزيز التشخيص الطبي والرعاية الصحية الشخصية، خاصة في البيئات ذات الموارد المحدودة، من خلال تسهيل الكشف السريع والدقيق عن المؤشرات الحيوية مثل فيتامين د.
النتائج
في هذا القسم، يتم تفصيل تخليق وتفعيل وتوصيف شرائح MXene النانوية، وبالتحديد Ti₃C₂Tₓ. تم إنتاج MXene عن طريق حفر مسحوق مرحلة Ti₃AlC₂ MAX، تلاه التداخل والتفكيك، مما أسفر عن شرائح نانوية ثنائية الأبعاد محددة جيدًا تم تأكيدها بواسطة مجهر إلكتروني نافذ (TEM) ومجهر القوة الذرية (AFM). تم إثبات التفعيل الناجح باستخدام بولي إيثيلين أمين (PEI) من خلال زيادة كبيرة في الجهد الزتاوي من -39.6 mV إلى 40.9 mV، مما يدل على تفاعلات كهروستاتيكية فعالة. أظهر تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) انخفاضًا في قمة (002)، مما يؤكد زيادة في المسافة بين الطبقات بسبب مجموعات السطح النهائية، بينما كشفت مطيافية رامان عن قمم مميزة تتوافق مع MXene وPEI، مما يدل على تخليق وتفعيل ناجحين.
علاوة على ذلك، تم توصيف تفعيل Amino-MXene باستخدام رابط ثنائي التكافؤ، الغلوتارالدهيد (GA)، والتعلق اللاحق بالأجسام المضادة باستخدام مطيافية الأشعة السينية (XPS) وتحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX). أشارت نتائج XPS إلى تغييرات كبيرة في توزيعات الكربون والنيتروجين، مما يؤكد تشكيل روابط تساهمية بين PEI وGA والأجسام المضادة. تم ملاحظة وجود قمم مميزة مرتبطة بالهيكل الكيميائي للأجسام المضادة، جنبًا إلى جنب مع انخفاض في القمم المتعلقة بالمجموعات الوظيفية الأصلية، مما يشير إلى تثبيت ناجح. أكدت تحليلات EDX ومجهر الإلكترون الماسح (SEM) هذه النتائج، حيث أظهرت تغييرات تركيبية مميزة خلال عملية التفعيل، بما في ذلك إدخال إشارات التيتانيوم والفلور من MXene وزيادة محتوى النيتروجين من PEI. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على التخليق والتفعيل الفعالين لـ MXene لتطبيقات محتملة في الاستشعار الحيوي.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة التوصيف الكهربائي الكيميائي وأداء جهاز استشعار للكشف عن فيتامين د (Vit-D) بناءً على MXene المفعلة بالأمينات. تم مراقبة تعديلات الجهاز باستخدام الفولتمترية الدائرية (CV) ومطيافية impedence الكهربائية (EIS). كشفت التوصيفات الأولية للقطب الكهربائي من الجرافين المحفز بالليزر (LIG) عن قمم أكسدة متوقعة. عند إضافة MXene النقي، لوحظ انخفاض طفيف في تيار قمة الأكسدة، يُعزى إلى تقليل المساحة السطحية النشطة كهربائيًا. ومع ذلك، أدى إدخال MXene الأميني (Amino-MXene) إلى تعزيز كبير في تيار قمة الأكسدة بحوالي 52%، على الأرجح بسبب تحسين نقل الإلكترون الذي يسهل طبيعة بولي إيثيلين أمين (PEI) الكاتيونية. أسفر تثبيت الأجسام المضادة اللاحق وحجبها باستخدام ألبومين مصل البقر (BSA) عن مزيد من الانخفاضات في تيارات القمة وزيادة مقاومة نقل الشحنة، مما يدل على عائق مادي لمسارات التوصيل.
قدمت محاكاة نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) رؤى حول التفاعلات بين PEI وMXene، كاشفة عن طاقة ربط عالية تبلغ -4.13 eV، والتي تتوافق مع الأداء الكهربائي الكيميائي المفضل لـ Amino-MXene. أظهر الجهاز استجابة خطية في الفولتمترية النبضية التفاضلية (DPV) للكشف عن فيتامين د عبر نطاق تركيز واسع (0.1 إلى 500 ng mL$^{-1}$)، مع حد كشف ملحوظ (LOD) يبلغ 1 pg mL$^{-1}$ ومعامل تحديد (R²) يبلغ ≥ 0.99. أظهر جهاز الاستشعار انتقائية عالية ضد الجزيئات الحيوية غير المستهدفة وإعادة إنتاج جيدة، حيث ظلت الانحرافات بين أجهزة الاستشعار المتعددة أقل من 15%. على الرغم من بعض تقليل الإشارة في عينات بيولوجية معقدة مثل مصل الإنسان بسبب التلوث البيولوجي، تؤكد النتائج على إمكانيات أجهزة الاستشعار الكهربائية الكيميائية القائمة على MXene للكشف الحساس والدقيق عن المؤشرات الحيوية، مما يمهد الطريق للتقدم في التشخيص الطبي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43246-025-00756-9
Publication Date: 2025-02-17
Author(s): Sharat Chandra Barman et al.
Primary Topic: MXene and MAX Phase Materials
Overview
This research presents the development of an electrochemical biosensor for vitamin D (Vit-D) detection, addressing the widespread issue of Vit-D deficiency, particularly in regions like the Middle East and North Africa, where approximately 80% of the population is affected. The biosensor utilizes antibody-functionalized Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene nanosheets, modified through electrostatic and covalent bonding techniques, achieving a detection limit of 1 pg mL$^{-1}$ and a dynamic range of 0.1 to 500 ng mL$^{-1}$. This range encompasses clinically relevant levels of deficiency, insufficiency, sufficiency, and toxicity, highlighting the sensor’s potential for timely diagnosis and management of Vit-D-related health issues.
The study emphasizes the advantages of this electrochemical approach over traditional methods, which are often costly and complex, making them unsuitable for decentralized testing. The biosensor’s performance was validated through various characterization techniques, demonstrating its robustness and sensitivity. This work illustrates the promise of MXene-based biosensors in enhancing medical diagnostics and personalized healthcare, particularly in resource-limited settings, by facilitating rapid and accurate detection of biomarkers like Vit-D.
Results
In this section, the synthesis, functionalization, and characterization of MXene nanosheets, specifically Ti₃C₂Tₓ, are detailed. The MXene was produced by etching Ti₃AlC₂ MAX phase powder, followed by intercalation and delamination, resulting in well-defined 2D nanosheets confirmed by transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM). The successful functionalization with polyethyleneimine (PEI) was evidenced by a significant increase in zeta potential from -39.6 mV to 40.9 mV, indicating effective electrostatic interactions. X-ray diffraction (XRD) analysis showed a downshift in the (002) peak, confirming increased d-spacing due to surface terminating groups, while Raman spectroscopy revealed characteristic peaks corresponding to MXene and PEI, indicating successful synthesis and functionalization.
Further, the functionalization of Amino-MXene with a bivalent crosslinker, glutaraldehyde (GA), and subsequent antibody attachment was characterized using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and energy-dispersive X-ray (EDX) analysis. XPS results indicated significant changes in carbon and nitrogen distributions, confirming the formation of covalent bonds between PEI, GA, and the antibody. The presence of characteristic peaks associated with the antibody’s chemical structure was noted, alongside a decrease in peaks related to the original functional groups, suggesting successful immobilization. EDX and scanning electron microscopy (SEM) analyses corroborated these findings, showing distinct compositional changes throughout the functionalization process, including the introduction of titanium and fluorine signals from MXene and increased nitrogen content from PEI. Overall, these results validate the effective synthesis and functionalization of MXene for potential applications in biosensing.
Discussion
In this section, the electrochemical characterization and performance of a biosensor for vitamin D (Vit-D) detection based on amino-functionalized MXene are discussed. The sensor modifications were monitored using cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Initial characterization of the bare laser-induced graphene (LIG) electrode revealed expected redox peaks. Upon adding pristine MXene, a slight decrease in oxidation peak current was observed, attributed to reduced electrochemically active surface area. However, the introduction of aminated MXene (Amino-MXene) significantly enhanced the oxidation peak current by approximately 52%, likely due to improved electron transfer facilitated by the cationic nature of polyethyleneimine (PEI). Subsequent antibody immobilization and blocking with bovine serum albumin (BSA) resulted in further decreases in peak currents and increased charge transfer resistance, indicating physical obstruction of conductive pathways.
Density Functional Theory (DFT) simulations provided insights into the interactions between PEI and MXene, revealing a high binding energy of -4.13 eV, which correlates with the favorable electrochemical performance of the Amino-MXene. The sensor demonstrated a linear response in differential pulse voltammetry (DPV) for Vit-D detection across a wide concentration range (0.1 to 500 ng mL$^{-1}$), with a remarkable limit of detection (LOD) of 1 pg mL$^{-1}$ and a coefficient of determination (R²) of ≥ 0.99. The biosensor exhibited high selectivity against non-target biomolecules and good reproducibility, with deviations among multiple sensors remaining below 15%. Despite some signal reduction in complex biological samples like human serum due to biofouling, the findings underscore the potential of MXene-based electrochemical biosensors for sensitive and specific biomarker detection, paving the way for advancements in medical diagnostics.