双模态双金属MOF/碳纤维生物传感器的构建及其在L-半胱氨酸可视化检测中的应用

《Food Chemistry》：Construction of dual-mode bimetallic MOF/carbon fiber biosensor and its application in visual detection of L-cysteine

　　**摘要**通过一锅法水热法在碳纤维上生长了一种双金属ZnNi-MOF材料。与单金属MOFs相比，所得材料表现出增强的发光性能和电化学活性，从而成功构建了一种用于快速荧光-电化学双模检测L-半胱氨酸的柔性传感器。电化学检测的线性范围为1 nM–10 μM，检测限（LOD）为0.017 nM；荧光检测的线性范围为1 μM–1 M，检测限为0.89 μM。两种模式均表现出良好的选择性和稳定性。通过滤纸和纺织品的浸渍、湿纺以及水凝胶微球等方法，制备了柔性传感器。将传感器与手机软件相结合，通过采集荧光颜色变化的RGB值，可实现L-半胱氨酸的可视化检测。该传感器成功测定了人汗液和牛奶中的L-半胱氨酸，回收率为93–114%，相对标准偏差（RSD）为2.43–5.32%，在智能可穿戴监测、精准医疗和食品安全领域展现出广阔的应用前景。**引言**L-半胱氨酸（L-cys）是一种含有巯基的重要氨基酸。作为多种蛋白质的关键组分，它参与代谢调节、氧化还原稳态维持、解毒过程、细胞信号转导等，在生物系统中发挥着不可替代的作用。研究表明，体内L-cys水平异常与生长迟缓、神经毒性、阿尔茨海默病及多种心血管疾病密切相关。此外，由于其优异的抗氧化性能和断裂角蛋白中二硫键的能力，L-cys也常被用作食品和化妆品工业中的抗氧化剂和造型成分。因此，开发一种简单、高灵敏度且可靠的分析方法，以快速准确地检测实际样品中微量L-cys，具有高度紧迫性和重要意义。目前，已采用多种技术对L-cys进行检测，包括质谱、伏安法、电化学发光、高效液相色谱和毛细管电泳等。然而，这些方法普遍存在灵敏度有限、操作复杂、检测时间较长等不足，限制了其在实际场景中的进一步应用。Jia等人将Ni?P固定于黑磷纳米片上，实现了L-cys的高灵敏无酶电化学检测。Yu等人成功合成了功能化金属-有机框架UiO-66-NH-BQB，用作L-cys的选择性荧光探针。然而，单模检测易受环境干扰，降低了可靠性，限制了实际应用。与单模检测相比，双模检测通过交叉验证提高了检测精度。Sun等人设计了一种类过氧化物酶活性的B、N-CDs体系，在过氧化氢存在下氧化TMB，实现对L-cys的比色和荧光检测。然而，TMB的储存条件较为严格，且可穿戴植入应用受限。将电化学与荧光技术相结合的双模传感方法兼具高灵敏度和可视化能力。Liang等人设计了一种基于共价有机框架的双模电化学/荧光探针，可在10 nM至10 mM浓度范围内灵敏检测四环素，电化学和荧光检测限分别为0.03 nM和0.05 nM。然而，大多数电化学/荧光双模传感器所用基底为刚性材料，机械性能较差，限制了其应用范围。金属-有机框架（MOFs）是一类由金属离子/簇与有机配体通过配位作用形成的新型多孔晶体材料。凭借其高比表面积、可调孔结构、丰富的活性位点和良好的化学稳定性等优势，MOFs在气体吸附、催化和传感领域展现出广阔的应用前景。其中，双金属MOFs通过引入两种不同金属离子，可有效调控材料的电子结构、活性位点分布和理化性质。与单金属MOFs相比，双金属MOFs具有显著提高的催化活性、选择性和稳定性。Liu等人开发了一种基于"封闭"双金属镧系金属-有机框架的无仪器传感阵列，用于区分和定量常见抗生素。Kang等人开发了一种基于双金属有机框架（CuBi-BPDC）的高灵敏高选择性电化学传感器，用于测定玉米素。基于Zn的MOFs具有良好的生物相容性和优异的荧光性能，是荧光传感的理想候选材料；而基于Ni的MOFs具有出色的电化学活性，可加速电子转移并增强电化学检测的灵敏度。通过将Zn2?和Ni2?引入同一MOF体系，可构建ZnNi-MOFs以实现协同效应。本研究以ZnNi-MOF为关键传感材料，构建了一种双模电化学-荧光检测系统，用于生物体液和食品样品中L-cys的测定。通过整合基于手机的RGB技术，进一步建立了一种可视化快速检测方法。系统研究了ZnNi-MOF与L-cys之间的相互作用机制，并优化了检测条件，有效消除了汗液和牛奶等复杂实际样品中的干扰。最终实现了在这些样品中对L-cys的高灵敏、高选择性和快速检测。本工作为现场L-cys检测提供了新的策略和理论依据，有望实现便捷、可靠的临床和家庭检测。**分段摘要****实验试剂**氯化锌、2-氨基-4-羟基苯乙酸（NH?BDC）、无水氯化镁、三氯化铁钾、氯化钾、无水氯化钙、L-半胱氨酸、L-谷氨酸、异亮氨酸、酪氨酸、色氨酸、海藻酸钠和TPU颗粒（90A）购自麦克林有限公司。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、无水乙醇和六水合硝酸镍由西诺博公司提供。无水氯化钠、抗坏血酸和葡萄糖由阿拉丁公司提供。**结果与讨论**图1展示了ZnNi-MOF的合成过程、其传感性能及其在湿纺和水凝胶制备中的应用。如图1a所示，采用一锅法水热法成功在预处理纤维表面合成了ZnNi-MOF纳米花材料。图1b展示了ZnNi-MOF双模传感器的传感应用，可通过荧光变化和电流变化进行检测。此外，还可通过RGB颜色实现即时检测，具有较高的检测限。**结论**本研究利用一锅法溶剂热法在碳纤维上成功合成了均匀的纳米花状ZnNi-MOF材料。基于该材料，建立了一种双模荧光和电化学传感方法，用于L-cys的快速特异性分析。在荧光模式下，该方法可在1 μM至1 M的浓度范围内检测L-cys，检测限为0.89 μM。在电化学模式下，检测范围为1 nM至1 μM，检测限低至0.017 nM。**作者贡献声明（CRediT）****许婧：** 撰写——初稿、调研。**王月丹：** 撰写——审稿与编辑、指导、项目管理、方法论。**李昌辉：** 调研。**李穆芳：** 验证。**刘雪：** 验证。**杨丽燕：** 验证、资源。**王东：** 指导、项目管理。**谭燕：** 资源、项目管理。**利益冲突声明**作者声明，不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**作者感谢湖北省自然科学基金联合基金项目（批准号2024AFD094、2026AFC0253）和湖北省科技计划项目（批准号2024EHA006）的经费支持。感谢武汉纺织大学分析测试中心进行材料表征。