导电三元MXene-贵金属纳米簇-蛋白质复合水凝胶基平台：一种具有优异性能的抗生物污染和超灵敏电化学发光技术，可用于生物硫醇检测

《Talanta》：Conductive Ternary MXene-Noble Metal Nanocluster-Protein Composite Hydrogel-Based Robust, Anti-Biofouling and Ultrasensitive Electrochemiluminescence Platform for Biothiol Sensing

构建了MXene/Au-Ag NCs@BSA三元复合水凝胶，其通过MXene纳米片增强机械性能和电子传导，实现ECL检测灵敏度达340 pM，并应用于生物样本和食品中GSH检测。

　　

钱王|王晓文|顾青玉|郭伟伟

天津南开大学化学学院分析科学研究中心，生物传感与分子识别天津重点实验室，中国天津300071

摘要

水凝胶的三维（3D）亲水网络既能负载信号物质，又能允许离子和小分子靶标的渗透，同时防止生物大分子干扰电极界面，这使得它们在复杂生物样本的抗生物污染电化学传感中具有巨大潜力。然而，水凝胶脆弱的机械结构和较差的电子导电性通常导致基于水凝胶的生物传感系统灵敏度较低，严重限制了其广泛应用。本文通过一种简便的“一锅法”制备了一种机械强度高且导电性良好的三元MXene/Au-Ag合金纳米簇（Au-Ag NC）-牛血清白蛋白（BSA）复合水凝胶，其中超薄的二维（2D）MXene纳米片作为由交联变性BSA链和Au-Ag NCs组成的水凝胶网络的增强骨架。MXene纳米片在水凝胶基质中的引入提供了连续的电子导电网络，使得BSA保护的Au-Ag NCs能够高效地进行电化学激发，从而产生增强的电化学发光（ECL）信号。这种三元复合水凝胶还表现出优异的自修复能力和增强的膨胀/收缩性能，有助于构建用于生物硫醇传感的稳健水凝胶平台，并实现了对特定生物硫醇谷胱甘肽（GSH）的超灵敏检测，检测限低至340 pM（信噪比=3）。该平台可直接用于分析复杂生物样本，包括区分正常细胞和癌细胞裂解物中的GSH含量以及食品样本中的GSH，展示了其在未来医疗保健应用（如早期诊断和食品监测）中的潜力。

引言

电化学发光（ECL）凭借其出色的灵敏度、低背景和高时空控制能力，在各种生物传感应用中展现出巨大潜力[1]、[2]、[3]、[4]。在生物传感应用中，高效加载ECL发射体并在ECL过程中避免电极界面污染对于产生有效的ECL信号至关重要。过去几十年中，已经成功开发了多种ECL发射体，包括[Ru(bpy)₃]²⁺、鲁米诺、量子点（QDs）和荧光金属纳米簇（NCs）[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。其中，荧光贵金属纳米簇（如Au NCs和Au-Ag合金NCs）因其易于合成、强发射性和良好的生物相容性而受到广泛关注[12]、[13]、[14]、[15]，并且已经开发出多种策略来稳定单分散的NCs作为ECL发射体，例如开发了多巴胺功能化的Au-Ag NCs和硫醇稳定的Au NCs，以增强ECL发射[16]、[17]。此外，一些生物大分子不仅可以作为模板来稳定荧光金属NCs[18]、[19]、[20]，还可以促进NCs与其他组分（如水凝胶）组装成三维（3D）网络，进一步扩展了它们的生物传感应用[21]、[22]、[23]。

水凝胶由三维交联的亲水聚合物网络组成，不仅具有较大的比表面积，有利于ECL发射体的负载，其多孔结构还允许离子和小分子的自由扩散，同时限制生物大分子和其他较大生物靶标的渗透，从而赋予所得ECL传感系统抗生物污染性能[24]、[25]、[26]。然而，三维交联的水凝胶基质通常电子导电性较差，会阻碍电极界面与ECL发射体之间的电子传输以及发射体的电化学激发，从而导致生物传感系统的灵敏度降低。此外，蛋白质水凝胶缺乏机械强度，使得水凝胶系统较为脆弱，限制了其实际应用。因此，开发具有优异机械强度和良好电子导电性的水凝胶基质对于ECL传感应用非常必要。

在本研究中，通过一种简便的“一锅法”制备了一种由超薄二维（2D）过渡金属碳化物/氮化物（MXene）纳米片、荧光Au-Ag NCs和牛血清白蛋白（BSA）组成的三元复合水凝胶，该水凝胶具有优异的电子导电性和改善的机械性能，适用于ECL传感应用（图1）。在凝胶化过程中，BSA可作为还原剂和模板诱导荧光Au-Ag NCs的生成，而变性BSA链之间的交联则形成了水凝胶网络[27]。由于MXene纳米片表面富含–OH、–F和C=O等亲水基团[28]、[29]，超薄的2D MXene纳米片可以均匀地嵌入水凝胶基质中，作为刚性的支撑骨架，从而增强水凝胶基质的机械性能和自修复能力，同时水凝胶网络还能防止MXene纳米片重新堆叠，促进稳定的三元MXene/Au-Ag NCs@BSA复合水凝胶（MABH）的形成。水凝胶基质中的三维MXene纳米片骨架提供了连续的电子传输路径，得益于MXene的优异金属导电性[30]、[31]、[32]、[33]、[34]，进一步促进了Au-Ag NC发射体的电化学激发，增强了ECL信号[35]、[36]、[37]、[38]。基于这种复合水凝胶的ECL平台被用于检测生物硫醇谷胱甘肽（GSH），它是真核细胞中最丰富的非蛋白质硫醇，可以反映氧化应激的程度，并用于肿瘤的诊断和预后[39]、[40]，同时也是水果和蔬菜中常见的抗氧化剂[41]、[42]。因此，该平台可能在未来的应用中提供有前景的方法，如早期诊断和食品监测。

实验部分

材料、仪器和单层MXene纳米片的合成方法详见补充材料。

ABH和三元MABH的制备与表征

用LiF/HCl溶液蚀刻Ti₃AlC₂的Al层后，扫描电子显微镜（SEM）图像显示样品具有类似手风琴的多层结构，对应于多层MXenes（图1A）；进一步在水中进行超声剥离后，透射电子显微镜（TEM）观察到超薄MXene纳米片的形成（图1B）。原子力显微镜（AFM）测量证实了单层MXene纳米片的厚度为1.9 nm。

结论

总之，构建了一种基于三元MXene/Au-Ag NCs@BSA复合水凝胶的高性能ECL生物传感平台。嵌入的MXene纳米片不仅作为水凝胶网络的增强骨架，提高了水凝胶基质的机械强度和自修复及膨胀性能，还形成了电子导电网络，显著提升了平台的ECL检测效率。

CRediT作者贡献声明

郭伟伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，资金获取，概念构思。顾青玉：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法学，数据分析。王晓文：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法学，研究。钱王：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法学，研究，数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

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致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号22274082和22494631）、国家重点研发计划（项目编号2023YFB3208303）以及中央高校基本科研业务费（中国）的财政支持。