优化苯磺酸衍生物作为功能单体，用于在电化学传感器中印刻表面活性剂蛋白A的表位

《Biosensors and Bioelectronics》：Optimizing Benzenesulfonic Acid Derivatives as Functional Monomers for Imprinting of Surfactant Protein A (SP-A) Epitopes in an Electrochemical Sensor

　　

李美华|杨福雄|林正志|詹姆斯·L·托马斯|安卓君|佐菲亚·伊斯基尔科|帕维尔·博罗维茨|皮尤什·辛杜·夏尔马|弗沃迪米日·库特纳|林鸿荫

台湾高雄市84001，宜修大学材料科学与工程系

摘要

我们研究了苯磺酸的可电聚合衍生物——2-氨基苯磺酸（MSDS）、3-氨基苯磺酸（MSAN）、2,5-二氨基苯磺酸（DABS）以及2-氨基-5-甲基苯磺酸（PTMS）——作为用于分子印迹的功能单体。这些单体在氧化铟锡（ITO）电极上，在表面活性蛋白A（SP-A）的各种肽表位存在下进行电聚合，从而形成肽印迹聚合物（PIPs）薄膜。SP-A是体液中的重要生物标志物，与肺部疾病密切相关。因此，准确测定这些体液中的SP-A含量对于诊断具有重要意义。与直接印刻整个SP-A分子相比，表位分子印迹具有成本更低、PIP内的分子印迹腔更容易获取等优点。然而，选择能够形成对SP-A表位具有选择性亲和力的导电聚合物的水溶性单体仍是一项挑战。在此，我们系统地优化了单体与模板的比例以及所选表位的疏水性，以提高涂覆有PIP薄膜的ITO电极的电化学响应性能。由此制成的化学传感器对SP-A的检测范围约为0.001至10.0 pg/mL，且检测限极低，仅为0.05 pg/mL。这些以SP-A表位为模板的PIP电化学传感器在检测人血清中的SP-A方面展现出巨大潜力。

引言

根据世界卫生组织的数据，慢性阻塞性肺疾病、下呼吸道感染和肺癌分别位列全球第三、第四和第五大死亡原因（https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/the-top-10-causes-of-death）。肺表面活性剂是由脂质和蛋白质组成的复杂混合物，其中脂质占比超过90%，蛋白质约占10%（De Backer, Cerrada等人，2015年）。根据其亲水性强弱，表面活性蛋白可分为亲水性蛋白（SP-A和SP-D）和疏水性蛋白（SP-B和SP-C）（De Backer, Cerrada等人，2015年）。SP-A是一种膜相关蛋白，其质量占比约为3–5%，属于集合蛋白家族（Cedzyński和?wierzko，2024年）。它参与肺部的先天性和炎症反应（Mitsuhashi, Goto等人，2013年；Cedzyński和?wierzko，2024年），同时也参与维持肺泡的稳态（De Backer, Cerrada等人，2015年）。此外，有研究指出，在部分非小细胞肺癌中存在SP-A过度表达的情况，这使其有望成为这类肿瘤的诊断标志物（Betz, Papadopoulos等人，1995年；Kuroki, Takahashi等人，1998年；Yamamoto, Takahashi等人，2005年；Goldmann, K?hler等人，2009年）。另外，低水平的SP-A也与其他肺部疾病有关，如成人呼吸窘迫综合征和肺炎（Günther, Siebert等人，1996年；Kuroki, Takahashi等人，1998年；Goldmann, K?hler等人，2009年）。

表位印迹技术是一种极具前景的方法，可通过它在分子印迹聚合物中创建类似抗体的、高度选择性的分子腔结构，从而实现对SP-A分子的识别（Yang, Li等人，2019年）。这种印迹技术可分为整体表位印迹（自由基聚合或自组装）、接枝表位表面印迹以及受限整体表位印迹（Yang, Li等人，2019年）。与直接印刻整个蛋白质分子相比，表位模板印迹的优势在于：这类模板易于获取，成本较低，能耐受恶劣环境，可灵活选择功能单体，且对蛋白质靶标具有高选择性（Singhal, Singh等人，2023年）。已有研究利用自组装单层膜中的表位桥结构，实现了对神经元特异性烯醇化酶的分子印迹及电化学检测（Drzazgowska, Schmid等人，2020年）。最近，还有通过计算机设计的表位印迹聚合物被用于检测人类腺病毒（Sehit, Yao等人，2024年）。另有几种表位印迹聚合物被用于检测严重急性呼吸综合征冠状病毒2型的受体结合域（Bognár, Supala等人，2022年）以及刺突蛋白（Rajpal, Batista等人，2024年）。我们之前的研究则展示了如何利用掺杂碳化钛的MIP薄膜涂覆在场效应晶体管的扩展栅极上，实现对SARS-CoV-2刺突肽的检测（Lee, Lin等人，2023年）。

在此，我们测试了多种苯磺酸的可电聚合衍生物，包括2-氨基苯磺酸（MSDS）、3-氨基苯磺酸（MSAN）、2,5-二氨基苯磺酸（DABS）以及2-氨基-5-甲基苯磺酸（PTMS），将其作为功能单体，用于对SP-A的其他表位进行分子印迹（Bartold, Iskierko等人，2024年）。我们比较并优化了功能单体的摩尔比以及表位的疏水程度，旨在让所用的肽印迹聚合物和模板产生最强的电化学响应信号。我们对这些PIP薄膜进行了电化学特性分析，并通过扫描电子显微镜和原子力显微镜观察了其表面形态。最后，我们还评估了这些涂覆有PIP薄膜的电极对干扰物质的抑制能力及其重复使用性能，并成功检测了添加了目标物质的血清中的SP-A含量。

章节节选

结果与讨论

图1和S1展示了在电聚合含有pY单元的聚(AN-co-DABS)过程中记录的多周期电位曲线，其中AN代表苯胺，该聚合物是在不同浓度的pY以及不同苯胺与DABS摩尔比的条件下，在水溶液中合成而成的。未经过印迹处理的聚合物（NIPs）在Ag/AgCl电极为参比时的主要阳极峰和阴极峰分别出现在约0.14伏和-0.03伏处（图S1a）。在后续的电解循环中，所有电位峰的数值都会上升，这一现象表明

结论

选择合适的SP-A肽段作为表位以及功能单体，对于制备能够对目标肽类和蛋白质分析物产生显著电化学响应的表位印迹聚合物而言至关重要。在本研究中，我们比较了多种水溶性功能单体，包括DABS、MSDS、MSAN和PTMS，用于制备涂覆有PIP薄膜的ITO电极时的性能。结果表明，那些含有更多氨基基团的单体

CRediT作者贡献说明

帕维尔·博罗维茨：方法设计、实验研究。皮尤什·S·夏尔马：论文撰写与修改、初稿撰写、资源协调、项目管理、方法设计、实验研究、资金申请、数据整理。安卓君：结果验证、方法设计、实验研究、正式数据分析、数据整理。佐菲亚·伊斯基尔科：方法设计、实验研究。林正志：项目监督、资源协调、项目管理、方法设计、实验研究、资金申请、研究构思。詹姆斯·L·托马斯：

未引用参考文献

Bartold等人，2022年；Bartold等人，2024年；Betz等人，1995年；Bognár等人，2022年；De Backer等人，2015年；Goldmann等人，2009年；Günther等人，1996年；Kuroki等人，1998年；Lee等人，2023年；Lee等人，2022年；Lee等人，2025年；Lee等人，2016年；Lee等人，2020年；Mazzotta等人，2022年；Mitsuhashi等人，2013年；Rajpal等人，2024年；Sehit等人，2024年；Singhal等人，2023年；Yamamoto等人，2005年；Yang等人，2019年。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

我们要衷心感谢其中一位合著者（安卓君）在其硕士论文中提供的部分数据和图表。同时，我们也感谢中华民国的科学技术部通过多项资助项目，为我们的研究提供了资金支持，这些项目的编号分别为MOST 109-2314-B-390-001-MY3、MOST 110-2221-E-390-003-MY3和MOST 111-2221-E-214-001-MY3；此外，还感谢中华民国的国家科学及技术委员会提供的资助，项目编号为NSTC 113-2640-B-007-001、114-2640-B-007-001-