电化学发光与电化学双模式生物传感平台：基于RuPCN-224金属有机框架发光体和适配体夹心检测技术的高灵敏度PFOA监测方法

《Analytica Chimica Acta》：Electrochemiluminescence and electrochemical dual-mode biosensing platform for highly sensitive monitoring of PFOA with RuPCN-224 metal organic framework emitters and aptamer-based sandwich assay

高效双模式ECL-EC传感器用于环境全氟辛酸检测：基于RuPCN-224纳米颗粒构建的ECL发光与电化学信号协同检测系统，通过aptamer-PFOA特异性结合实现纳米颗粒剥离，在ECL模式下检测限0.97 ng/mL，EC模式下0.14 ng/mL，有效克服单模式误判，提升复杂基质中PFOA检测准确性。

　　这篇研究介绍了一种基于电化学发光（ECL）和电化学（EC）双模式的生物传感平台，用于对大气环境中痕量全氟辛酸（PFOA）的高灵敏度和高准确性检测。PFOA作为一种广泛使用的有机氟化合物，其在工业产品和消费品中的应用日益增多。然而，PFOA因其稳定的碳-氟键而难以降解，并且由于其强电负性和小半径，能够迁移并积累在大气、水和土壤中，最终通过食物摄入和皮肤渗透进入人体，对健康造成严重影响。PFOA与血清和肝脏蛋白结合后，可能导致甲状腺功能障碍、免疫系统紊乱和肝病，甚至癌症。鉴于其对健康的危害，欧盟已出台严格规定，限制其在物质、混合物或产品中的含量低于0.025 mg/kg（25 ppb）。因此，开发高效、低成本且易于操作的痕量PFOA检测方法具有重要意义。

ECL作为一种新兴的分析技术，通过电化学激发产生活性反应物的激发态，并在反应物回到基态时释放光信号。由于无需外部光源，ECL技术具有极低的背景噪声、优异的检测灵敏度和便捷的操作流程，因此被广泛用于环境污染物的检测。然而，目前的ECL方法主要依赖于单一模式读取，这可能导致误判，从而影响检测的准确性。因此，设计基于ECL技术的高准确双模式分析系统，对于实现可靠且高效的PFOA监测至关重要。

在本研究中，研究人员构建了一种ECL-EC双模式生物传感平台，使用RuPCN-224纳米颗粒作为ECL发射体和电化学活性物质。RuPCN-224是一种金属有机框架（MOF）纳米结构，通过水热法合成。为了提高生物传感的性能，研究人员通过戊二醛偶联引入了HDNA，并构建了基于DNA杂交的夹心型生物传感界面。RuPCN-224纳米颗粒具有高效的发光性能，因此在ECL模式下表现出稳定的发光强度。当暴露于PFOA污染物时，由于PFOA与aptamer之间的特异性结合，导致RuPCN-224纳米颗粒从电极表面脱落，从而减少了ECL发射强度。在电化学模式下，RuPCN-224纳米颗粒因其高电化学活性表现出强烈的微分脉冲伏安法（DPV）响应，但PFOA与aptamer的结合会导致纳米颗粒从电极表面脱离，从而降低了DPV电流信号。通过分析双模式信号的变化，实现了对PFOA的高灵敏度和高准确性检测。

该研究的创新点在于结合了RuPCN-224纳米颗粒和基于aptamer的夹心型生物传感界面，从而构建了一种双模式生物传感器。这种设计不仅提高了检测的灵敏度，还通过交叉验证能力增强了检测的可靠性。在优化条件下，该双模式ECL-EC生物传感器在实际大气样品中表现出高效的检测性能。ECL模式下的检测限为0.97 ng/mL，而电化学模式下的检测限为0.14 ng/mL。这种双模式系统不仅在复杂大气样品中具有良好的检测效果，还提供了创新的检测途径，为大气环境监测和环境保护提供了新的思路。

为了进一步验证该双模式生物传感器的性能，研究人员对其进行了形态学和光学特性的表征。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察，RuPCN-224纳米颗粒表现出球形结构和良好的分散性，平均粒径约为120 nm。这些特性有助于提高其在ECL和EC模式下的响应效率。此外，研究人员对RuPCN-224纳米颗粒的光学性能进行了测试，确认其在ECL模式下具有高效的发光能力。在电化学模式下，纳米颗粒表现出强烈的电化学活性，能够生成显著的DPV电流信号。这些性能使得RuPCN-224纳米颗粒成为理想的ECL和EC双模式生物传感器的构建材料。

该研究的另一个重要方面是其对干扰物质的高选择性。在PFOA检测过程中，干扰物质如全氟辛烷磺酸（PFOS）可能与PFOA具有相似的结构，从而影响检测的准确性。通过使用基于aptamer的夹心型生物传感界面，研究人员有效提高了生物传感器对PFOA的选择性。在实际样品分析中，该生物传感器表现出良好的实用性，具有可接受的回收率和相对标准偏差（RSD）。这些结果表明，该双模式生物传感器不仅在实验室条件下具有优异的检测性能，而且在实际应用中也具有较高的可行性。

此外，该研究还探讨了双模式ECL-EC生物传感器在环境监测中的应用前景。由于大气环境中的PFOA来源于多种排放源，并且具有快速扩散的特点，因此其检测面临较大的挑战。双模式生物传感器能够提供两种独立的信号读取方式，并通过交叉验证减少误判的可能性，从而显著提高检测的准确性。同时，该生物传感器的操作流程较为简便，且不需要复杂的样品预处理步骤，降低了检测成本。在优化条件下，该生物传感器具有良好的便携性，能够实现现场和实时检测，适用于多种环境和不同浓度范围的PFOA检测。

在实验过程中，研究人员对tDNA修饰的RuPCN-224纳米颗粒进行了合成和表征。首先，将Ru(bpy)?2?分子与PCN-224纳米颗粒进行结合，形成RuPCN-224纳米颗粒。随后，通过表面锚定tDNA，进一步提高其生物传感性能。这一过程使得RuPCN-224纳米颗粒能够作为双信号探针，同时在ECL和EC模式下发挥重要作用。研究人员还对电极表面进行了改性，使用壳聚糖提高其生物相容性和吸附能力。通过固定HDNA并进行DNA杂交，构建了双链DNA生物传感界面。当引入tDNA-RuPCN-224时，形成了夹心型DNA结构，从而增强了生物传感器的检测性能。

在实际样品分析中，研究人员测试了该双模式生物传感器的性能。结果表明，该生物传感器在ECL和EC模式下均表现出良好的检测效果。在ECL模式下，检测限为0.97 ng/mL，而在电化学模式下，检测限为0.14 ng/mL。这些结果表明，该双模式生物传感器能够实现对PFOA的高灵敏度检测。此外，该生物传感器对干扰物质如PFOS表现出良好的选择性，具有可接受的回收率和RSD，说明其在实际应用中具有较高的可行性。

该研究的结论是，开发一种基于ECL和EC双模式的生物传感平台，能够实现对大气环境中PFOA的高灵敏度和高准确性检测。RuPCN-224纳米颗粒具有良好的形态学和光学性能，能够作为ECL发射体和电化学活性物质。通过使用基于aptamer的夹心型生物传感界面，研究人员有效提高了生物传感器的检测性能。该双模式生物传感器不仅在复杂大气样品中表现出良好的检测效果，还提供了创新的检测途径，为大气环境监测和环境保护提供了新的思路。

该研究的意义在于，它为PFOA的检测提供了一种新的方法，能够克服传统检测方法的局限性。传统方法如液相色谱-串联质谱（LC-MS）、气相色谱-质谱（GC-MS）和高效液相色谱（HPLC）虽然具有高准确性和高灵敏度，但往往涉及复杂的操作流程、高成本的仪器设备以及专业的操作人员。相比之下，该双模式生物传感器具有简便的操作流程、低成本的仪器设备和易于操作的特点，能够实现对PFOA的快速检测。此外，该生物传感器还具有良好的便携性，能够实现现场和实时检测，适用于多种环境和不同浓度范围的PFOA检测。

该研究的创新点在于，它结合了ECL和EC两种技术，通过双模式信号读取提高了检测的准确性。同时，该生物传感器的设计也考虑到了环境监测的实际需求，能够有效应对复杂样品中的干扰物质。这种设计不仅提高了检测的灵敏度，还通过交叉验证减少了误判的可能性，从而显著提高了检测的可靠性。此外，该研究还对RuPCN-224纳米颗粒的合成和表征进行了详细描述，确认了其在ECL和EC模式下的优异性能。

综上所述，该研究为PFOA的检测提供了一种新的方法，具有较高的灵敏度和准确性。通过使用RuPCN-224纳米颗粒和基于aptamer的夹心型生物传感界面，研究人员构建了一种双模式生物传感器，能够有效应对复杂大气样品中的干扰物质。该生物传感器不仅在实验室条件下表现出良好的检测性能，而且在实际应用中也具有较高的可行性。因此，该研究为大气环境监测和环境保护提供了新的思路，具有重要的科学价值和应用前景。