载有Cu–Ni纳米颗粒、掺氮的、由生物质衍生的活性炭纤维基防污电化学传感器，用于复杂环境中过氧亚硝酸盐的分析

《Journal of Alloys and Compounds》：Cu–Ni nanoparticle-loaded, N-doped, biomass-derived activated carbon fibre-based antifouling electrochemical sensor for peroxynitrite analysis in complex environments

抗污电化学传感器基于Cu-Ni纳米颗粒负载氮掺杂生物质活性炭纤维成功开发，检测限达9.977×10?? nM，线性范围覆盖七 orders of magnitude，在血清中验证了抗蛋白吸附性能及临床应用潜力。

　　

林莉|周建梅|袁祖欢|龚贤曦|顾晨|吴雄志|严立强

桂林理工大学化学与生物工程学院，中国桂林，541004

摘要

抗污染纳米材料的合理设计与制备对于增强生物活性分子的电化学监测至关重要。本研究介绍了一种创新的抗污染电化学传感器，该传感器采用负载Cu–Ni纳米颗粒的、氮掺杂的、生物质衍生的活性炭纤维（Cu–NiNPs/N-ACF）来灵敏检测复杂环境中的过氧亚硝酸盐（ONOO^?）。所提出的传感器通过将N-ACF的功能基团和高导电性与Cu–NiNPs的催化活性相结合，建立了高效稳定的电化学反应界面。实验表明，该传感器具有宽线性范围（2.993 × 10^–3至286.9 nM，R² = 0.9978；286.9至8.128 × 10⁴ nM，R² = 0.9957），检测限低至9.977 × 10^–4 nM。其优异的抗污染性能归因于Cu–NiNPs/N-ACF的亲水性。此外，该传感器在血清中对ONOO^?的可靠检测证实了其在实际分析中的实用性和适用性。本研究为合金和化合物在传感技术中的应用提供了一种新策略。

引言

过氧亚硝酸盐（ONOO^?）是一种强效的活性氮物种，在体内由一氧化氮与超氧阴离子的扩散限制反应生成[1]，具有强大的氧化和亲核能力。在生理条件下，ONOO^?与抗氧化剂处于动态平衡状态，并参与细胞信号传导和能量物质代谢等关键生物过程[2]、[3]、[4]。然而，环境和行为压力会显著升高ONOO^?水平，破坏氧化还原平衡，损害生理功能，从而导致多种临床疾病[5]、[6]、[7]，包括心血管疾病[8]、神经退行性疾病[9]、炎症[10]和癌症[11]。一些研究还提出，ONOO^?可能在病原体入侵过程中通过调节基因表达发挥积极作用[12]。因此，作为调节众多生理过程的关键信号分子，准确检测ONOO^?至关重要。

电化学传感因其高选择性、灵敏度、快速响应和易于微型化而成为检测ONOO^?的有效方法[13]。然而，一个主要挑战在于电极在复杂生物基质（如血清和血液）中的可靠运行[14]。蛋白质、脂质和其他生物分子的非特异性吸附会导致电极表面生物污染，严重钝化界面，阻碍电子传输，从而导致信号漂移和分析失败[15]。因此，迫切需要设计一种兼具抗污染性能和高灵敏度的传感界面，以实现真实样品中ONOO^?的准确检测。

近期研究探索了多种纳米级功能材料用于构建抗污染电化学传感器，例如单壁碳纳米管[16]、[17]、聚两性离子共聚物[18]、[19]、导电水凝胶[20]、[21]、超分子共晶凝胶[14]以及工程纳米材料[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。生物质衍生的碳材料因其可持续性、丰富的功能基团（–OH、–COOH）[27]和成本效益而显示出巨大潜力作为传感平台。异原子掺杂，特别是氮掺杂，进一步提高了它们的导电性和亲水性[29]，这是通过形成保护性水化层来抵御生物污染的关键属性[30]。然而，这些材料在抗污染电化学传感器中的应用仍需进一步探索。尽管具有这些优点，氮掺杂的碳纤维（N-ACF）仍存在固有的局限性，如结晶度低、稳定性差和活性位点有限，这些因素限制了它们的电化学性能和长期耐用性[31]。

将过渡金属纳米颗粒（NPs）与碳载体结合是一种克服这些局限性的有效策略[32]。特别是过渡金属及其合金NPs，由于金属和碳材料之间的协同效应，能够提高催化活性和稳定性[33]。例如，Wei等人提出了一种基于生物质衍生多孔碳改性的超灵敏p-硝基酚传感器，通过增强金属NPs与生物质衍生碳之间的相互作用，提高了环境监测性能[34]。在非侵入性生物传感中，Yin等人将NiCo双金属NPs电沉积在丝素衍生碳上，制备了非酶促葡萄糖传感器，在唾液分析中表现出高灵敏度[35]。同样，将硫化镍与N和S共掺杂的柳絮衍生碳结合，形成了高导电性网络，具有最小的电荷传输阻力，从而实现了对目标分析物的优异检测限[36]。虽然这些复合材料提高了传感性能，但对其抗污染性能（尤其是在长时间蛋白质暴露下的性能）的系统研究往往不足。在我们之前的工作中，我们开发了一种使用铜-铂双金属NPs/N掺杂生物质多孔碳纤维的抗污染ONOO^?传感器，有效减少了复杂基质中的污染引起的信号漂移[37]。尽管取得了这些进展，但这些复合材料的抗污染和传感性能仍需进一步研究。

本研究通过将铜镍纳米颗粒（Cu–NiNPs）与氮掺杂的生物质衍生活性炭纤维（Cu–NiNPs/N-ACF）结合，制备了一种新型合金基复合材料，构建了先进的抗污染电化学传感平台，用于准确检测ONOO^?。N-ACF作为Cu–NiNPs的优良载体，有效减少了纳米颗粒的聚集。Cu–NiNPs的引入显著增强了电子传输过程，促进了目标ONOO^?的电化学氧化。这种传感界面设计利用了N-ACF和Cu–NiNPs的协同效应，优化了电化学界面，提高了灵敏度并增强了传感器的稳定性及抗污染性能。因此，即使在复杂的生物环境中也能准确检测ONOO^?。所开发的传感器可以有效避免潜在生物分子在电极表面的非特异性吸附，适用于复杂生物环境中ONOO^?的检测，对于检测由活性氮引起的疾病至关重要。

实验部分

补充信息提供了关于试剂、仪器和ONOO^?合成的详细信息。

Cu–NiNPs/N-ACF的形态和结构表征

使用扫描电子显微镜和透射电子显微镜（TEM）评估了合成材料的形态和组成特征。如图1A所示，Cu–NiNPs呈现堆叠的球形结构。图1B中的CF表面也观察到了类似的球形结构，这有助于提高N-ACF的比表面积。这些观察结果表明Cu-Ni纳米颗粒已有效沉积在N-ACF表面。

结论

成功制备了一种N-ACF与Cu–NiNPs的纳米复合材料，并用于构建在复杂介质中准确检测ONOO^?的抗污染电化学传感器。Cu–NiNPs/N-ACF/GCE的独特结构和优异导电性为ONOO^?氧化提供了最佳反应位点，使传感器实现了宽线性范围（七个数量级）和低检测限（9.977 × 10^–4 nM，S/N = 3），优于现有的最先进技术。

CRediT作者贡献声明

吴雄志：资源提供。顾晨：指导、概念构思。龚贤曦：实验研究。袁祖欢：数据分析。严立强：指导、资金获取。周建梅：撰写——初稿、概念构思。林莉：撰写——审稿与编辑、资金获取、数据管理。

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竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢广西自然科学基金（2025GXNSFAA069231, 2024GXNSFAA010223）和中国国家自然科学基金（22364010）的财政支持。