前列腺癌是全球男性中最常見的惡性腫瘤之一，早期診斷對改善患者預(yù)后至關(guān)重要。目前臨床依賴的前列腺特異性抗原（PSA）檢測因特異性不足而面臨限制，常導致假陽性結(jié)果、不必要的活檢程序和惰性腫瘤的過度診斷。這些缺點凸顯了尋找更可靠、非侵入性生物標志物的迫切需求。尿液作為一種易于獲取的生物樣本，在癌癥診斷中具有獨特優(yōu)勢。其中，肌氨酸（SAR）因其與前列腺癌進展的密切關(guān)聯(lián)而受到廣泛關(guān)注。然而，尿液中的SAR檢測面臨低濃度和復(fù)雜基質(zhì)等挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的色譜和質(zhì)譜方法成本高，且難以適應(yīng)即時檢測（POCT）。

基于酶生物燃料電池（EBFC）的自供電傳感器由于無需外部電源和環(huán)境友好等優(yōu)點，在可穿戴醫(yī)療檢測中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，其核心局限性是靈敏度不足，這主要源于酶促反應(yīng)的固有動力學限制、生物相容性與穩(wěn)定性之間的權(quán)衡以及復(fù)雜生物基質(zhì)對電子轉(zhuǎn)移效率的干擾。特別是對于早期前列腺癌篩查，患者尿液中極低濃度的SAR使得傳統(tǒng)EBFC系統(tǒng)難以可靠檢測。值得注意的是，儲能技術(shù)的快速發(fā)展為可穿戴傳感系統(tǒng)提供了新的解決方案。其中，鋅離子電池（ZIB）因其獨特的性能優(yōu)勢，特別適用于尿液檢測。它使用水性電解質(zhì)，安全性高，與生物樣品兼容性好。更重要的是，尿液中天然存在的鋅離子可以直接作為電解質(zhì)來源，顯著簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

因此，本工作提出了一種創(chuàng)新方法，將高功率ZIB與肌氨酸燃料EBFC集成，構(gòu)建混合動力生物傳感系統(tǒng)。該設(shè)計利用ZIB提供穩(wěn)定、高功率輸出，同時利用EBFC進行目標物特異性識別，從而克服傳統(tǒng)自供電傳感器靈敏度和特異性不足的局限。此外，定制設(shè)計的藍牙傳輸模塊可實現(xiàn)與智能手機應(yīng)用的實時數(shù)據(jù)同步，便于前列腺癌生物標志物的智能監(jiān)測。通過利用電化學反應(yīng)的副產(chǎn)物觸發(fā)電致變色材料的原位比色反應(yīng)，構(gòu)建了電化學-比色法對比輸出系統(tǒng)。該設(shè)計保留了電化學檢測的高靈敏度，并提供了直觀的視覺讀數(shù)能力，有效解決了便攜式檢測在復(fù)雜環(huán)境中的適用性挑戰(zhàn)。通過協(xié)同集成ZIB電源、EBFC識別和雙模信號轉(zhuǎn)換，這項工作在能量供應(yīng)、生物檢測和信號輸出方面實現(xiàn)了突破性創(chuàng)新，克服了傳統(tǒng)自供電傳感器在可靠性、通用性和用戶體驗方面的多重局限。支持藍牙的智能手機交互進一步為高靈敏度、智能即時生物傳感系統(tǒng)的設(shè)計提供了新的技術(shù)范式。

將含有CuSe正極材料、導電炭黑和10 wt.%聚偏氟乙烯（PVDF）粘合劑的N-甲基吡咯烷酮（NMP）漿料按合理比例混合，研磨成均勻漿料，然后涂覆在鋁箔集流體上。涂覆的電極在80°C下真空干燥10小時，以制造最終的工作電極。將干燥的電極沖壓成直徑為10毫米的圓片。對于電化學性能測試，使用ZnSO₄水溶液作為電解質(zhì)，鋅箔作為對電極，組裝CR2032型紐扣電池。

首先將炭黑在90°C的硝酸中氧化6小時，在其表面引入羧基，從而促進后續(xù)與酶的共價結(jié)合。將改性后的炭黑與CuSe和PVDF在NMP中混合形成均勻懸浮液。隨后，將50 μL該懸浮液滴涂到一塊碳布上，真空干燥去除NMP，從而制備基體電極。接下來，在電極表面添加30 μL含有EDC/NHS的緩沖溶液，活化30分鐘，以實現(xiàn)酶與電極的共價偶聯(lián)。之后，將30 μL的肌氨酸氧化酶（SOx，5 mg/mL）添加到電極上，并在4°C下孵育過夜，形成能夠響應(yīng)酶促反應(yīng)的傳感層。SOx通過EDC/NHS偶聯(lián)共價固定在電極上，酶負載量約為每1 × 1 cm²電極150 μg（≈每個電極4.5 U）。這種共價固定策略最大限度地減少了酶浸出，并確保在電化學工作條件下具有足夠的催化活性。由此得到陽極。使用薄鋅片（1 × 1 cm²）作為陰極。

本研究使用的所有人尿液樣本均符合倫理要求收集，并嚴格遵循相關(guān)醫(yī)療指南。樣品收集和使用的所有程序均獲得西安交通大學第二附屬醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會的批準（批準號：2025YS381）。所有參與者均提供了將其尿液樣本用于科學研究的知情同意書。

展示了一個創(chuàng)新的非侵入性前列腺癌篩查系統(tǒng)，通過尿液自供電混合能量供應(yīng)方法實現(xiàn)雙模高靈敏度檢測。在特定的檢測模塊中，修飾在中空立方體電極表面的肌氨酸氧化酶選擇性識別前列腺癌患者尿液中的SAR代謝物。尿液中的鋅離子作為ZIB的電解質(zhì)，而SAR作為EBFC的燃料，通過雙重能量供應(yīng)從根本上提高了檢測靈敏度。同時，電化學反應(yīng)的副產(chǎn)物觸發(fā)嵌入尿液收集墊中的無紡布比色條發(fā)生可見顏色變化，提供直觀的定性評估。最后，無線傳輸模塊通過藍牙將檢測數(shù)據(jù)實時發(fā)送到智能手機和醫(yī)院監(jiān)測系統(tǒng)進行定量分析。雖然同時運行，但EBFC和ZIB通過不同且在空間上受限的機制發(fā)揮作用。EBFC由酶-底物特異性和H₂O₂介導的電子轉(zhuǎn)移控制，而ZIB由Zn²⁺傳輸和可逆電化學反應(yīng)主導。因此，尿液基質(zhì)的變化通過正交途徑影響兩個子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)信號放大而互不干擾。該系統(tǒng)創(chuàng)新性地集成了高特異性生物傳感、自供電技術(shù)和可穿戴設(shè)備，既能通過顏色變化實現(xiàn)快速的居家篩查，又能通過電子數(shù)據(jù)進行精確的臨床診斷，有效解決了傳統(tǒng)PSA檢測假陽性率高的問題。

2O template, (B, C) SEM image of prepared CuSe, (D, E) TEM images of CuSe, (F) High-resolution TEM (HRTEM) of CuSe, (G) SAED of CuSe, (H) mapping images of CuSe before, (I) XPS spectra of CuSe, (J) Schematic illustration of CuSe synthesis and ball-and-stick models of the CuSe material viewed from different angles, along with the three possible adsorption sites on the CuSe surface, (K) X-ray diffraction (XRD) pattern of CuSe, (L) Raman spectrum of CuSe.">圖1A顯示了制備的Cu₂O立方體模板的SEM圖像，其呈現(xiàn)出規(guī)則的立方體形態(tài)，尺寸均勻約為500納米，表面光滑，無明顯團聚。相應(yīng)的TEM圖像進一步證實了Cu₂O立方體明確的納米結(jié)構(gòu)和清晰的晶格條紋，表明其結(jié)晶性良好。圖1B, C顯示了制備的CuSe材料的SEM圖像。經(jīng)硒處理后，整體形貌保持不變，基本顆粒仍無明顯團聚。在保持原始立方體形態(tài)的基礎(chǔ)上，目標產(chǎn)物由超薄二維納米片組成，納米立方體表面粗糙均勻。如圖1D, E所示，中空CuSe結(jié)構(gòu)明顯，直徑約為600納米。中空微結(jié)構(gòu)使納米材料具有低質(zhì)量密度并避免結(jié)塊現(xiàn)象。引入二維納米片可以避免三維薄層結(jié)構(gòu)的破碎，有利于電解質(zhì)滲透，從而暴露豐富的活性位點并提供離子擴散途徑。圖1F中，通過邊緣高分辨TEM觀察到晶面間距為0.20納米的晶格條紋，這與CuSe的（110）晶面相關(guān)。選區(qū)電子衍射圖案（SAED，圖1G）顯示了對應(yīng)于（106）/（100）/（110）晶面的單晶斑點與多晶衍射環(huán)，證明了多晶CuSe的成功合成。映射圖像代表了整個納米立方體，Cu和Se元素的均勻分布也證實了復(fù)合多維材料的成功制備（圖1H）。元素分析與SEM觀察顯示，循環(huán)后CuSe的中空立方結(jié)構(gòu)發(fā)生部分破碎，并伴有新元素信號的出現(xiàn)，表明材料在充放電過程中經(jīng)歷了某些結(jié)構(gòu)和成分演變。鋅的存在進一步證實了可逆反應(yīng)的成功進行。EDX元素分布和XPS全譜（圖1I）證實了材料表面主要元素Cu和Se的存在，上述結(jié)果證實了CuSe的成功制備。圖1J描繪了CuSe材料的制備過程，以及顯示不同角度和三個候選吸附位點的球棍模型。圖1K顯示了Cu₂O和CuSe晶體的XRD圖譜，與標準卡片（PDF#05-0667和PDF#27-0185）匹配良好，證實了它們的相純度。此外，觀察到的尖銳峰和幾乎沒有雜峰證實了CuSe的成功合成。圖1L顯示了拉曼數(shù)據(jù)，光譜中最強的峰位于260 cm^-1，可歸屬于Cu-Se振動的第一縱向光學聲子模式。這些發(fā)現(xiàn)進一步驗證了CuSe的成功合成。

2+ electrolyte, (B) Log (i) vs log (v) curves of two peaks, (C, D) Capacity contribution rate, (E) Schematic diagram of the constructed ZIB, (F) Charge–discharge curves at the initial five cycles, (G) Rate capability, (H) Discharge–charge GITT profiles, (I) Cycle performance.">基于Randles–Sevcik關(guān)系，在不同掃描速率下通過循環(huán)伏安法（CV）研究Zn²⁺擴散動力學。在2 M Zn²⁺電解質(zhì)中性pH條件下，在大約0.60和0.40 V（vs Zn²⁺/Zn）處觀察到了明確的氧化還原峰和相應(yīng)的放電/充電平臺，表明CuSe電極可逆的Zn²⁺嵌入/脫出行為。如圖2A所示，隨著掃描速率增加，整體CV曲線幾乎保持不變，表明極化低且倍率性能良好。圖2B展示了峰電流與掃描速率的線性擬合。氧化峰和還原峰的b值分別為0.67和0.82，表明CuSe陰極中的Zn²⁺存儲由離子擴散和表面贗電容效應(yīng)共同控制。使用相同模型進一步量化了不同掃描速率下這兩個過程的各自貢獻。圖2C顯示了在0.6 mV s^-1下的CV曲線，其中贗電容行為的容量貢獻為43.7%（紫色區(qū)域）。在圖2D中，贗電容行為的容量貢獻從32%逐漸增加到52%。上述分析可導致高的Zn²⁺擴散率，其中空結(jié)構(gòu)有助于材料的多形式能量存儲。組裝的電池在不同循環(huán)次數(shù)下的電化學阻抗譜顯示，10次循環(huán)后半圓尺寸和曲線輪廓幾乎未變，表明在可逆循環(huán)過程中界面電荷轉(zhuǎn)移穩(wěn)定且Zn²⁺擴散順暢，證實了電池良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在第十次循環(huán)測試后，阻抗略有增加，通過繪制低頻區(qū)的Z'與ω^-1/2圖擬合的σ從50增加到60 Ω s^-1/2，這導致擴散系數(shù)略有下降。圖2E闡明了鋅離子在電極材料中的嵌入和脫出以及SOx的催化反應(yīng)機制，其中肌氨酸被酶促氧化釋放電子，而鋅離子在電極材料內(nèi)可逆遷移以維持電荷平衡。在所考慮的吸附位點中，總能量最高的構(gòu)型說明了CuSe的原子排列以及Cu和Se原子的相對位置。圖2F顯示了CuSe陰極在1.0 A g^-1下的充放電曲線，初始放電和充電容量分別為315和328 mAh g^-1，庫侖效率為96%。容量在后續(xù)循環(huán)中幾乎保持不變，表明具有高度可逆的Zn²⁺存儲行為。圖2G顯示了制備的CuSe材料的倍率性能。在0.1–5.0 A g^-1的電流密度下觀察到穩(wěn)定的放電容量分別為356、340、331、318、308、298和276 mAh g^-1，容量保持率為78%。此外，當電流密度調(diào)整回0.1 A g^-1時，可逆容量迅速恢復(fù)到約300 mAh g^-1，表明所制備的多維CuSe正極材料具有良好的倍率耐受性和循環(huán)穩(wěn)定性。計算得出的CuSe材料的擴散系數(shù)主要穩(wěn)定在10^-11–10^-12cm²s^-1范圍內(nèi)，這與充放電結(jié)果一致，證實了該材料具有優(yōu)異的放電行為（圖2H）。如圖2I所示，在1 A g^-1下測試了CuSe的長循環(huán)性能，結(jié)果顯示200次循環(huán)后容量保持率為80%，表明CuSe材料具有優(yōu)異的長循環(huán)耐久性。

為了探索與前列腺癌中肌氨酸相關(guān)改變相關(guān)的基因表達模式，進行了一系列生物信息學分析。差異表達分析（圖3A）識別了前列腺癌和正常組織之間多個顯著上調(diào)和下調(diào)的基因。帶有層次聚類的熱圖（圖3B）顯示，這些差異表達基因基于其表達譜能將腫瘤樣本與正常樣本區(qū)分開。整體分析流程總結(jié)在圖3C中。KEGG通路富集分析（圖3D）表明，差異表達基因富集在與代謝和若干信號傳導過程相關(guān)的通路中。GO細胞組分分析（圖3E）顯示這些基因主要與細胞器、膜相關(guān)成分等細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)相關(guān)。GO分子功能分析（圖3F）揭示了包括小分子結(jié)合和酶活性在內(nèi)的功能富集。GO生物過程分析（圖3G）表明涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)運和代謝調(diào)節(jié)等生物過程。總體而言，圖3A–G總結(jié)了前列腺癌中肌氨酸相關(guān)基因的差異表達模式和功能富集結(jié)果。

OCV and SAR concentration, (C) Correlation between transient current and SAR concentration, (D,E) Optical detection mode showing RGB/absorbance versus SAR concentration relationships, all measured in PBS buffer containing 10 μM Zn²⁺with varying concentrations of SAR, (F) Stability comparison of four testing methods, (G) Structural analysis diagram of interference experiments, (H) Specificity data under dual detection modes, (I) System stability tests in both electrochemical and colorimetric modes.">SEM觀察揭示了涂覆電極材料后碳布明顯的形態(tài)變化。涂層使表面明顯更粗糙，活性材料均勻分布在纖維網(wǎng)絡(luò)中。這種均勻覆蓋增加了有效表面積并提供更多的電活性位點，從而增強了信號傳輸。這種形態(tài)特征改善了分析物與電極表面的相互作用，實現(xiàn)了穩(wěn)定和靈敏的傳感器輸出。圖4A說明了可穿戴尿布的雙模檢測機制，該系統(tǒng)通過協(xié)同的電化學-光學輸出實現(xiàn)肌氨酸濃度的精確檢測。在電化學檢測模式下，隨著SAR濃度增加，EBFC的燃料濃度相應(yīng)上升。SAR在SOx催化下氧化，生成H₂O₂并釋放電子。這些電子通過電極轉(zhuǎn)移到外電路，導致電池系統(tǒng)的開路電壓（E^OCV）或短路電流顯著增強。信號強度與肌氨酸濃度呈正相關(guān)。同時，SAR氧化反應(yīng)產(chǎn)生的H₂O₂進一步觸發(fā)光學檢測模式。在辣根過氧化物酶（HRP）存在下，H₂O₂氧化無色底物3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺（TMB），生成藍色的氧化TMB（oxTMB），從而引起系統(tǒng)明顯的顏色變化。該電致變色反應(yīng)的顯色強度與H₂O₂濃度直接相關(guān)，從而與初始肌氨酸濃度建立定量關(guān)系。顏色變化可通過智能手機RGB分析或紫外-可見分光光度法定量分析。這種雙模設(shè)計通過電化學信號提供高靈敏度的定量結(jié)果，并通過光學信號提供直觀的視覺讀數(shù)。兩種模式之間的相互驗證顯著提高了檢測可靠性，特別適合非專業(yè)用戶在家庭環(huán)境中進行快速篩查。在該系統(tǒng)中，尿液中的Zn²⁺（10 μM）作為ZIB的電解質(zhì)，ZIB作為輔助和可逆的電源單元，用于穩(wěn)定和放大輸出信號，而非傳感元件。由于可逆的Zn²⁺嵌入/脫出機制，Zn²⁺濃度的正常波動對短期電池運行影響可忽略。圖4B, C顯示了電化學檢測模式下E^OCV和瞬態(tài)電流的靈敏度響應(yīng)曲線。隨著目標分析物濃度增加，E^OCV和瞬態(tài)電流均呈現(xiàn)漸進式上升，在特定濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出強線性相關(guān)（R²> 0.99）。對于E^OCV，線性范圍為10 pM–1000 μM，校準方程為y = 0.02376 lg c + 1.251 (R²= 0.9940) 和 y = 0.07655 lg c + 1.574 (R²= 0.9945)，檢測限為0.95 pM。對于瞬態(tài)電流，線性范圍為10 pM–500 μM，校準方程為y = 0.7168 lg c + 14.96, R²= 0.9942) 和 y = 1.298 lg c + 18.39, R²= 0.9951)，相應(yīng)的檢測限為0.85 pM。這些結(jié)果表明E^OCV和瞬態(tài)電流響應(yīng)均具有高靈敏度，適用于分析物的定量檢測。值得注意的是，0.85 pM的超低檢測限凸顯了我們傳感策略卓越的分析靈敏度，證明了其可行性，并為集成到可穿戴平臺奠定了堅實基礎(chǔ)。圖4D說明了比色模式的定量能力。結(jié)果表明，隨著SAR濃度增加，藍色oxTMB產(chǎn)物在652 nm處的藍色值發(fā)生線性變化，擬合方程為y = ?3.065 lg c + 184.4 和 y = ?0.02685 c + 194.4 (LOD = 1.14 pM)。圖4E和S10采用紫外-可見分光光度法進行交叉驗證，以驗證光學檢測的可靠性。在652 nm特征吸收峰處獲得的校準曲線與灰度分析結(jié)果高度一致，證實了其穩(wěn)健的定量性能。圖4F和S11顯示了雙模系統(tǒng)的重現(xiàn)性，在不同測量模式下RSD低于5%。如圖4G, H所示，使用常見干擾物（如肌酐、氨基酸，各10 mM）的對照實驗表明，只有目標分析物肌氨酸（SAR, 10 μM）能引起顯著的電化學和比色響應(yīng)，證實了酶級聯(lián)反應(yīng)的高特異性。該傳感系統(tǒng)在緩沖的近中性條件（pH 7.4）下運行，從而最大限度地減少了尿液分析過程中與pH相關(guān)的干擾。最后，在電化學和比色模式下評估了系統(tǒng)在三種濃度下的穩(wěn)定性（圖4I）。將修飾電極在4°C干燥條件下密封保存，以盡量減少水分暴露和酶降解。使用在相同修飾條件下制備的電極，以5天為間隔進行穩(wěn)定性測量。傳感器在30天后仍保持其初始性能的90%以上。與已報道的肌氨酸傳感器相比，該平臺顯示出相當或更優(yōu)的靈敏度、更簡單的操作以及更好的即時檢測（POCT）適用性。

由于實驗獲得的雙峰數(shù)據(jù)沿濃度維度離散分布，基于原始數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計分布特征構(gòu)建了連續(xù)模擬數(shù)據(jù)，以評估模型在連續(xù)空間中的穩(wěn)定性和泛化能力。所有模型訓練和參數(shù)優(yōu)化僅使用實驗獲得的真實數(shù)據(jù)進行，而模擬數(shù)據(jù)僅用于事后驗證和連續(xù)性分析。如圖5A所示，原始數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)在電流和藍色值的二維空間中表現(xiàn)出高度一致的分布，表明模擬數(shù)據(jù)有效地再現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的整體特征。如圖5B所示，不同濃度的樣本在雙峰信號中顯示出清晰的梯度分布，低濃度和高濃度區(qū)域之間具有良好的可分離性。基于此特征分布，圖5C顯示電流和藍色值在低濃度組和高濃度組之間均表現(xiàn)出極顯著差異（p < 0.001），驗證了分類閾值的合理性。在模型開發(fā)之前，使用分層隨機抽樣將數(shù)據(jù)集劃分為訓練集和測試集，確保濃度分布平衡，同時防止信息泄漏。此外，如圖5D所示，分類模型在歸一化特征空間中，對于原始數(shù)據(jù)集和模擬數(shù)據(jù)集都實現(xiàn)了高準確率和F1分數(shù)。相應(yīng)的ROC曲線（圖5E）顯示AUC值接近1，表明具有出色的判別能力和泛化性能。如圖5F所示，邊界樣本的分類性能與原始樣本和模擬樣本相比顯著下降，表明閾值附近的不確定性是影響分類穩(wěn)定性的主要因素。圖5G示意性地說明了由雙峰特征輸入、分類和分段回歸進行定量預(yù)測構(gòu)成的整體機器學習工作流程，為后續(xù)的分類器-回歸器集成分析提供了方法框架。引入分段回歸后，圖5H顯示預(yù)測值與真實的lg(C/M)值之間存在強線性相關(guān)性（R²= 0.980），表明定量預(yù)測準確性得到顯著提高。SHAP分析（圖5I）顯示，電流和藍色值在不同濃度范圍內(nèi)的貢獻權(quán)重不同，反映了雙峰信號的互補性。在更廣泛的臨床背景下，個體間差異可以通過特征歸一化進一步減輕。將供體相關(guān)元數(shù)據(jù)作為輔助協(xié)變量納入，可以在不改變核心傳感機制的情況下實現(xiàn)自適應(yīng)校準。最后，如圖5J所示，“分類-回歸”聯(lián)合模型顯著提高了模擬數(shù)據(jù)的回歸擬合性能，使其與真實數(shù)據(jù)相當，這表明該策略有效緩解了數(shù)據(jù)分布差異對回歸準確性的不利影響。為了評估自供電生物傳感器在實際樣品中的適用性，進行了加標回收實驗。首先使用Tris-HCl將尿液樣本緩沖至pH 7.4，然后在4°C、4000 rpm下離心3-5次，每次5分鐘，以減少基質(zhì)干擾。將所得上清液用PBS溶液（pH = 7.4）稀釋，隨后加入不同濃度的肌氨酸進行加標。傳感器回收率在83.68%至125.88%之間，RSD在2.65%至7.95%之間。這些結(jié)果表明，所提出的方法適用于實際樣品中分析物的檢測。

OCV validation of the single-enzyme biofuel cell and dual-powered enzyme-zinc battery system, (G, H) Dual-power mechanism model and its verification, (I) Images of diapers after exposure to different sarcosine concentrations, (