镍单配体-MOF改性的电化学传感器，用于检测神经母细胞瘤生物标志物香草酸

《Seminars in Vascular Surgery》：Nickel monoligand-MOF modified electrochemical sensor for the detection of neuroblastoma biomarker homovanillic acid

高效镍基单配体修饰碳糊电极用于香草酸检测，实现0.08 μM超低检测限和0.1-70 μM宽线性范围，选择性对抗常见干扰物，稳定性达60天，支持尿液中神经母细胞瘤早期诊断。

　　### 研究背景与意义

癌症是全球范围内对人类健康构成重大威胁的疾病之一，其复杂性主要体现在基因和表观遗传的改变上，这些改变扰乱了细胞增殖与细胞死亡之间的平衡。由于其高致死率和广泛的流行，癌症的早期诊断和治疗成为了医学研究的重点。早期发现癌症不仅有助于提高患者的生存率，还能够降低疾病对个人和社会带来的经济与心理负担。因此，开发快速、灵敏、选择性强的癌症标志物检测方法对于临床诊断和公共健康具有重要意义。

在众多癌症标志物中，单胺氧化酶代谢产物——高香草酸（HVA）因其在某些癌症类型中的高浓度而受到特别关注。HVA主要与多巴胺代谢有关，它在神经母细胞瘤和乳腺癌等疾病中显示出显著的生物标志物特性。此外，HVA还与缺血性中风和自闭症等其他疾病有关，使其在医学研究中具有广泛的应用价值。传统的癌症诊断方法，如影像学检查和组织活检，虽然在临床中被广泛应用，但存在诸如成本高、操作复杂、对资源依赖性强以及对早期病变不够敏感等问题。这些缺点限制了它们在基层医疗和资源有限环境中的应用。

为了解决上述问题，研究者们开始探索新型的生物传感器技术，特别是在电化学传感器领域。这类传感器因其高灵敏度、高选择性、成本效益以及快速响应能力而备受关注。电化学传感器能够通过检测特定的生物标志物来实现疾病的早期诊断，尤其是在肿瘤标志物的检测方面，其应用前景广阔。神经母细胞瘤作为一种常见的儿童肿瘤，其早期诊断尤为重要，因为这种疾病通常起源于神经嵴干细胞，并且是婴儿中最常见的非颅内肿瘤之一。因此，开发一种能够有效检测HVA的电化学传感器，不仅有助于提高神经母细胞瘤的诊断效率，也为其他与HVA相关的疾病提供了一种新的检测手段。

### 电化学传感器的构建与原理

本研究聚焦于一种基于镍单配体金属有机框架（ML/Ni–MOFs）修饰碳糊电极（CPE）的电化学传感器的开发，以实现对HVA的高效检测。碳糊电极因其成本低、易于制备、具有良好的导电性和可调的表面特性而被广泛应用于生物传感领域。而镍单配体金属有机框架作为一种新型的纳米材料，因其优异的电化学性能和高催化活性而成为理想的电极修饰材料。这种复合材料通过在碳糊电极表面负载镍基单配体复合物，不仅提高了电极的电催化性能，还增强了其对HVA的识别能力。

HVA的电化学氧化过程在本研究中得到了深入探讨。通过差分脉冲伏安法（DPV），研究人员发现HVA在特定条件下可以发生可逆的氧化反应，其氧化峰出现在0.6至0.8伏特之间，与多巴胺代谢过程密切相关。HVA的结构中含有酚羟基和羧基等官能团，这些官能团在电化学反应中扮演了重要角色。此外，HVA在离子化状态下能够与电极表面的阳离子镍单配体复合物发生静电相互作用，从而增强其在电极上的吸附和氧化反应。这种机制不仅提高了检测的灵敏度，还增强了传感器对干扰物质的抗干扰能力。

### 材料合成与电极制备

为了构建这一新型电化学传感器，研究者首先合成了镍基单配体金属有机框架纳米颗粒（ML/Ni–MOFs）。该合成过程采用溶热法，通过将NiCl?·6H?O和4,4′-联苯基羧酸（BPDC）在特定条件下混合，形成具有特定晶体结构的纳米材料。这种材料不仅具有高表面积和良好的孔隙结构，还具备良好的化学稳定性和电化学活性。合成的ML/Ni–MOFs随后被用于修饰碳糊电极，以提高其对HVA的检测能力。

在电极制备过程中，研究人员采用了特定的碳糊电极配方，其中石墨与结合剂（如石蜡油）的比例被优化为96:4（质量比）。这种比例的选择基于文献报道和实验数据，确保了电极既具有足够的导电性，又保持了良好的机械强度。通过这种方式，研究人员成功构建了一种新型的电化学传感器，其性能优于未经修饰的碳糊电极。

### 传感器性能评估

为了验证传感器的性能，研究人员对其进行了多方面的表征和评估。首先，通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）对ML/Ni–MOFs的形态和元素组成进行了分析。SEM图像显示，合成的纳米材料具有高度分散的镍纳米颗粒，均匀分布在金属有机框架的层状结构上，这种结构有利于提高电化学反应的效率。EDX分析进一步证实了纳米材料中镍、氯、碳和氧元素的均匀分布，表明其化学结构的稳定性。

此外，X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）被用于研究纳米材料的晶体结构和化学键合情况。XRD图谱显示，ML/Ni–MOFs具有清晰的晶格衍射峰，表明其良好的结晶度。而FT-IR光谱则揭示了纳米材料中金属-羧酸盐配位键的形成，表明镍纳米颗粒与有机配体之间的相互作用是有效的。这些表征结果为后续的电化学性能评估提供了坚实的基础。

在电化学性能方面，研究人员使用了循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）对ML/Ni–MOFs/CPE进行了系统研究。CV结果表明，与未修饰的碳糊电极相比，修饰后的电极在氧化还原探针[Fe(CN)?]3?/[Fe(CN)?]??的作用下表现出更高的氧化峰电流，表明其电化学活性得到了显著提升。EIS进一步揭示了电极表面的电荷转移电阻（Rct）和双层电容（Cdl）的变化，表明纳米材料的引入有效降低了电荷转移的阻力，提高了电极的响应速度和灵敏度。

### 检测条件的优化

为了确保传感器的高效检测，研究人员对多种实验条件进行了优化，包括pH值、脉冲参数、扫描速率等。pH值对HVA的氧化反应具有重要影响，研究发现，在BR缓冲液中，pH值为4.0时，HVA的氧化峰电流达到最大值，表明该pH值是最适合进行检测的条件。此外，通过调整脉冲幅度、脉冲周期和脉冲宽度，研究人员优化了DPV检测条件，以获得最佳的信号强度和检测精度。

扫描速率的优化同样重要，研究发现，在20至200 mV/s的范围内，HVA的氧化峰电流随着扫描速率的增加而呈线性增长，表明其电化学氧化过程主要受扩散控制。这一结果与Laviron动力学模型相吻合，进一步验证了HVA在该电极表面的氧化机制。通过这些优化，研究人员成功构建了一种具有高灵敏度和选择性的HVA检测方法。

### 传感器在生物样本中的应用

为了验证传感器在实际生物样本中的应用潜力，研究人员将其应用于人工添加的尿液样本中。尿液样本是从健康成年人中获取的，并通过加入不同浓度的HVA标准溶液进行干扰测试。实验结果显示，该传感器在尿液样本中表现出良好的回收率（93.25%至97.60%），且相对标准偏差（RSD）低于2%，表明其在复杂生物基质中的稳定性和可靠性。此外，与传统的高效液相色谱（HPLC）方法进行对比，统计分析显示两种方法在检测结果上没有显著差异，进一步证明了该传感器在临床诊断中的可行性。

### 与其他方法的比较

为了突出该传感器的优势，研究人员将其与其他已报道的HVA检测电极进行了比较。结果显示，该传感器具有更宽的检测范围（0.1 μM至70.0 μM）和更低的检测限（0.08 μM），优于许多现有的电化学传感器。例如，与多壁碳纳米管-铂纳米颗粒修饰的玻璃碳电极（MWCNT-PtNP/GCE）相比，该传感器在相同条件下表现出更高的灵敏度和更宽的检测范围。此外，其在尿液中的应用表明，该传感器能够适应复杂的生物环境，具备良好的抗干扰能力。

### 传感器的稳定性和可重复性

传感器的长期稳定性和可重复性是其在实际应用中的关键指标。研究发现，该传感器在60天的存储期内仍能保持超过90%的初始响应，这表明其具有良好的稳定性。此外，在多次重复测量中，传感器的相对标准偏差（RSD）均低于2%，说明其具有良好的可重复性。这些特性使得该传感器在实际临床环境中具有重要的应用价值，尤其是在资源有限的地区，其便携性和低成本使其成为一种理想的诊断工具。

### 结论与展望

综上所述，本研究成功开发了一种基于镍基单配体金属有机框架修饰碳糊电极的电化学传感器，用于检测HVA。该传感器在生理浓度和病理性浓度范围内均表现出良好的检测性能，具有高灵敏度、高选择性和良好的稳定性。此外，其在尿液样本中的应用验证了其在实际临床诊断中的潜力。这种新型传感器不仅能够提高神经母细胞瘤的早期诊断效率，还为其他与HVA相关的疾病的检测提供了新的思路。

未来，随着传感器技术的不断发展，这种基于纳米材料的电化学传感器有望进一步优化，以适应更多类型的生物样本，并提高其在复杂环境下的检测能力。此外，其便携性和低成本特性使其在基层医疗和资源有限地区具有广阔的应用前景。通过将其集成到便携式和点对点检测系统中，该传感器可以为癌症的早期筛查和实时监测提供有力支持，从而推动癌症诊断技术的普及和精准医学的发展。