新型水稳定CuMOF-74纳米带的制备及其作为电化学标记物检测慢性伤口感染生物标志物的研究

《Microchemical Journal》：Preparation of novel water-stable CuMOF-74 nanoribbons and application as electrochemical labels for the detection of a chronic wound infection biomarker

本研究针对金属有机框架（MOF）水稳定性差、限制其实际应用的问题，报道了CuMOF-74纳米球（MOF-nS）在液态水中快速、意外地转化为水稳定CuMOF-74纳米带（MOF-nR）的新方法。研究人员利用其电化学活性和表面羧基易于生物偶联的特性，成功开发了用于检测革兰氏阳性菌毒力因子——透明质酸酶（HYAL）的电化学免疫传感器。该传感器在人工伤口渗出液中检测限达308 ng/mL，具有高选择性、操作简便等优势，为慢性伤口感染的快速诊断提供了新策略。

　　

在生物医学检测领域，快速、灵敏地识别病原体感染是有效治疗和改善预后的关键。慢性伤口，如糖尿病足溃疡和压疮，影响着全球1-2%的人口，其护理面临巨大挑战。这些伤口极易被细菌定植，引发感染，若处理不当可能导致严重并发症甚至截肢。目前，伤口感染的常规检测方法主要依赖于细菌培养，这一过程通常耗时长达24-48小时，且需要专业的操作人员和复杂的仪器设备，难以满足早期、快速诊断的临床需求。因此，开发能够快速、精准检测特定感染生物标志物的新技术迫在眉睫。

透明质酸酶（Hyaluronidase, HYAL）作为一种由致病性革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）产生的关键毒力因子，已成为慢性伤口感染的一个有前景的生物标志物。若能实现对HYAL的快速检测，将极大地助力感染的早期诊断和抗生素的合理使用。与此同时，纳米材料，特别是金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs），因其高比表面积、可调的孔隙结构和多样的功能化特性，在生物传感领域展现出巨大潜力。其中，CuMOF-74因其同时具备电化学和发光特性而备受关注，有望实现双模式检测。然而，大多数MOFs，包括CuMOF-74，一个致命的弱点是其在潮湿或水环境中的稳定性较差，这严重限制了它们在生物液相检测中的实际应用。解决MOFs的水稳定性问题，是推动其走向实际生物传感应用的核心挑战。

在此背景下，来自西班牙奥维耶多大学的研究团队在《Microchemical Journal》上发表了一项创新性研究。他们意外发现了一种简单而高效的方法，能够将通常水稳定性差的CuMOF-74纳米球（MOF-nS）转化为水稳定的CuMOF-74纳米带（MOF-nR），并成功将其作为高性能电化学标记物，应用于慢性伤口感染标志物HYAL的灵敏检测。

为开展此项研究，研究人员主要运用了几项关键技术：首先，他们通过溶剂法合成了CuMOF-74纳米球（MOF-nS），并创新性地通过水洗步骤诱导其转化为纳米带（MOF-nR）。利用透射电子显微镜（TEM）、X射线粉末衍射（PXRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、Zeta电位和热重分析（TGA）等技术对两种材料的形貌、晶体结构、表面化学和组成进行了系统表征。其次，采用碳二亚胺化学（EDC/sulfo-NHS）将抗体共价偶联到MOF-nR表面，制备生物识别探针。最后，构建了基于磁珠（MBs）的夹心式免疫分析平台，并结合屏幕印刷碳电极（SPCE），通过方波阳极溶出伏安法（SWASV）对目标物HYAL进行定量检测。分析在模拟真实场景的人工伤口渗出液中进行，以评估方法的实际应用能力。

3.1. Characterization of CuMOF-74 nanospheres (MOF-nS)

研究人员首先成功合成了CuMOF-74纳米球（MOF-nS）。表征结果显示，所得纳米球直径约为12±5纳米，形貌均一。其PXRD图谱和FTIR光谱与典型的MOF-74结构特征一致，并且光谱显示出配位DMF分子的特征吸收峰，证实了其化学组成。

3.2. Obtaining of water-stable CuMOF-74 nanoribbons (MOF-nR): characterization and comparison with CuMOF-74 nanospheres (MOF-nS)

本研究最关键的发现在于，当使用水代替DMF和乙醇洗涤反应粗产物时，CuMOF-74纳米球（MOF-nS）意外地转化为了纳米带（MOF-nR）。这些纳米带宽约17.5±4纳米，长约111.3±45纳米。重要的是，PXRD和FTIR分析表明，尽管形貌从球形变为带状，但其MOF-74晶体结构得以保持。FTIR中DMF特征峰的消失和水的特征峰的出现，以及元素分析和TGA数据均支持了配位DMF分子被水分子取代的结论，化学计量式从[Cu₂(C₈O₆H₂)(C₃H₇NO)₂]转变为[Cu₂(C₈O₆H₂)(H₂O)₂]。这种晶体到晶体的转化现象十分罕见。获得的MOF-nR在水中可稳定存在至少24小时，满足了后续生物偶联和应用的需求。

3.3. Characterization of the conjugate CuMOF-74 nanoribbons (MOF-nR)/ antibodies

成功制备MOF-nR后，研究人员利用其表面的羧基，通过EDC/NHS化学将其与抗HYAL抗体共价偶联。FTIR证实偶联后MOF-nR的结构保持稳定，而Zeta电位从偶联前的-6.31 mV显著变为0.86 mV，表明表面羧基被成功修饰，证明了生物偶联的有效性。

3.4. Electrochemical detection of CuMOF-74 nanoribbons (MOF-nR

研究人员评估了MOF-nR本身的电化学性能。基于框架中的铜离子，采用方波阳极溶出伏安法进行检测。在优化条件下，检测信号（峰值电流）与MOF-nR浓度在2.5至50 μg/mL范围内呈良好线性关系，检出限（LOD）低至1.9 μg/mL，证明了其作为电化学标记物的可行性和灵敏度。

3.5. Use of CuMOF-74 nanoribbons (MOF-nR) as tags in a magnetoimmunoassay for the detection of hyaluronidase biomarker

接着，研究进入核心应用阶段：将MOF-nR/抗体偶联物作为电化学标记物，用于检测HYAL。他们建立了夹心免疫分析法：先将生物素化单克隆抗HYAL抗体固定在链霉亲和素包被的磁珠上，捕获样品中的HYAL，再加入MOF-nR/多克隆抗HYAL抗体偶联物形成“磁珠-HYAL-MOF-nR”免疫复合物。将该复合物置于SPCE上，通过伏安法检测MOF-nR释放的铜信号，从而间接定量HYAL。该方法在200至5000 ng/mL的HYAL浓度范围内呈现良好线性，检出限为308 ng/mL，并表现出良好的重复性。虽然MOF-nR也具有发光性质，但实验表明电化学检测在低浓度下更具优势。

3.6. Selectivity studies and determination of hyaluronidase in artificial wound exudates

为验证方法的特异性，研究人员考察了牛血清白蛋白（BSA）、免疫球蛋白G（IgG）和溶菌酶（Lys）等伤口渗出液中常见蛋白的潜在干扰。结果表明，即使在高浓度（2000 ng/mL）下，这些物质产生的信号也远低于同等浓度的HYAL，证明该方法具有高选择性。最后，在模拟慢性伤口环境的人工伤口渗出液中进行加标回收实验，在200至5000 ng/mL的加标浓度下，回收率在82%至112%之间，表明该方法在复杂的真实样本基质中依然具有优异的准确度和可靠性，受基质效应影响小。

综上所述，本研究报道了一种通过简单水处理即可将CuMOF-74纳米球转化为水稳定纳米带（MOF-nR）的新奇方法，成功克服了该类MOF材料水稳定性差的瓶颈。所获得的MOF-nR不仅稳定性良好，而且兼具电化学活性和易于功能化的表面特性。研究人员巧妙地将这些优势整合，开发出一种基于磁分离和屏幕印刷电极的灵敏、快速、操作简便的电化学免疫传感器，用于检测慢性伤口感染的关键生物标志物透明质酸酶（HYAL）。该传感器表现出令人满意的检测限、选择性和在实际样本中的准确性。这项工作不仅为制备水稳定的一维MOF纳米材料提供了新思路，也展示了MOF材料在开发下一代快速诊断工具，特别是在床旁检测（POCT）领域应对慢性伤口感染这一重大公共卫生挑战方面的巨大应用潜力。这种将基础材料创新与实用生物传感技术紧密结合的研究范式，为未来开发更高效、更经济的疾病诊断方案指明了方向。