热与pH调控分子识别的主动配位敏化策略用于Cu2+与Zn2+超灵敏SERS定量

《Biosensors》：Active Coordination Sensitization via Thermo- and pH-Regulated Molecular Recognition for Ultrasensitive SERS Quantification of Cu2+ and Zn2+

　　

复杂生物基质中痕量金属离子的准确定量仍具挑战性，原因在于严重的基质干扰以及超低浓度下金属–配体配位迟缓。在此，研究人员报道一种用于基于表面增强拉曼散射（SERS）的金属离子分析的主动配位敏化策略，通过调控分子识别动力学和界面化学平衡实现。与主要依赖等离激元基底工程的传统方法不同，该策略通过温度和pH控制直接调节配位化学。对于Cu²⁺检测，50 °C热活化加速四(4-羧基苯基)卟啉（TCPP）金属化，在水和血清中分别获得2.94 × 10^?11 M和2.01 × 10^?10 M的检出限（LODs），分别提高28倍和12倍。对于Zn²⁺传感，pH调节促进巯基功能化三联吡啶（TPY）–Zn²⁺配位，在水和血清中分别给出2.86 × 10^?13 M和1.0 × 10^?11 M的LODs，分别提高35倍和18倍。密度泛函理论（DFT）计算为温度和质子化依赖的配位行为提供见解。与微流控SERS平台集成后，该方法实现97.9–102.1%的血清回收率，相对标准偏差（RSDs）低于4.20%，证明分析准确且可重复，同时推动SERS传感从被动等离激元信号放大向分子识别化学的主动调控发展。

研究背景方面，痕量过渡金属离子Cu²⁺和Zn²⁺的稳态在酶催化、细胞代谢和系统生理稳态中起关键作用，其浓度异常与神经退行性疾病和癌症等相关，因此生物体液中痕量Cu²⁺和Zn²⁺的准确定量具有分析和临床价值。然而，复杂血清基质中严重基质干扰、内源性生物分子竞争结合以及超低浓度下金属–配体配位迟缓，使超灵敏定量仍困难。SERS因高灵敏、快速响应和分子指纹特异性受到关注，其增强主要来自电磁增强和化学增强；等离激元基底工程、石墨烯基混合界面和神经网络辅助光谱分析已有进展，但除后采集光谱分析和被动等离激元放大外，传感界面的分子识别与信号生成过程仍研究不足。金属离子SERS响应不仅取决于拉曼散射放大，还取决于目标特异性金属–配体复合物的有效形成；血清蛋白可通过竞争性界面吸附和位阻阻碍分析物接近，痕量水平下配位动力学慢和有效结合亲和弱进一步限制性能。因此，研究人员提出主动配位敏化策略，通过独立调节温度和溶液pH调控分子识别动力学与界面化学平衡。该策略不同于主要依赖等离激元基底工程的传统方法，而是直接调节配位化学；热活化加速TCPP与Cu²⁺金属化，pH调节控制TPY中吡啶氮质子化状态以促进Zn–N配位；Ag和Au纳米颗粒阵列主要提供等离激元电磁放大，温度和pH提高目标特异性分子识别效率；DFT计算阐释热力学和电子起源；集成自动连续流微流控平台实现血清中稳定可重复检测。该工作建立SERS传感新范式，从被动基底优化转向金属–配体配位化学主动调控。

关键技术方法方面，研究人员采用液相–液界面自组装制备Ag、Au纳米颗粒阵列，以扫描电子显微镜（SEM）、动态光散射（DLS）、紫外–可见吸收光谱（UV–vis）和时域有限差分（FDTD）进行表征与电磁场模拟；分别用TCPP和TPY功能化Ag、Au阵列，以时间分辨SERS监测金属化动力学；采用DFT计算温度依赖Cu²⁺–TCPP和pH依赖TPY–Zn²⁺配位；通过软光刻制作聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片并集成柔性电阻加热，血清样本先经酸性解离缓冲液（pH 2–3，含NaF）预处理，在线过滤后于50 °C进行Cu²⁺配位，再调至pH≈7进行Zn²⁺识别，以532和785 nm激光采集SERS信号；血清样本来源为Bio-Rad血清试剂（产品号BAS100，?20 °C保存）。

研究结果方面，3.1 等离激元SERS基底表征：通过SEM、DLS、UV–vis、FDTD和多批次/映射/基底间重复性分析，发现Ag和Au纳米颗粒形成紧密堆积阵列，粒子间隙产生强等离激元耦合和高密度热点，基底间RSDs为6.3%和5.9%，增强因子为3.2×10⁷和8.1×10⁶，结论是阵列提供强且可重复的SERS增强界面。3.2 温度调控TCPP–Cu²⁺配位动力学：通过DFT和时间分辨SERS研究，发现25、50、80 °C的ΔG_bind分别为?17.69、?18.62、?19.74 kJ mol^?1，配位热力学有利且升温略更有利；50 °C时1548 cm^?1自由TCPP带下降、1558 cm^?1 Cu–TCPP带上升，约5 min接近平台，k_obs为0.905 min^?1，高于25和80 °C的0.420和0.351 min^?1；80 °C表观响应受抑制，结论是50 °C兼顾配位动力学和SERS活性界面稳定性。3.3 pH调控TPY–Zn²⁺配位：通过DFT和pH依赖SERS研究，发现质子化TPY模型ΔG_bind为?8.72 kJ mol^?1，非质子化模型为?24.64 kJ mol^?1，表明吡啶N质子化降低氮孤对电子可用性、不利于Zn²⁺配位；高pH还可能受Zn形态、OH^?竞争和界面配位环境影响；实验pH 7.0给出最高SERS响应，结论是近中性条件促进TPY–Zn²⁺配位。3.4 Cu²⁺和Zn²⁺的超灵敏SERS定量：通过浓度依赖SERS和峰拟合，Cu²⁺以A₁₅₅₈/A₁₅₄₈定量，25 °C水/血清校准相关系数0.989/0.978，50 °C提高至0.996/0.991，LODs为2.94×10^?11 M（水）和2.01×10^?10 M（血清），较未优化提高约28倍和12倍；选择性实验显示共存离子仅引起小变化，混合离子中Cu²⁺响应仍强；激光暴露3–10 s无渐进恶化，采用5 s。Zn²⁺以TPY/Au的1021/1034 cm^?1峰拟合定量，pH 5.0有响应，pH 7.0显著增强，LODs为2.86×10^?13 M（水）和1.0×10^?11 M（血清），提高约35倍和18倍；共存离子干扰有限，混合离子中Zn²⁺信号可区分；回归残差和95%置信区间分析支持校准可靠，结论是温度和pH调控显著提高灵敏度和选择性。3.5 集成微流控SERS平台用于血清分析：通过软光刻芯片、酸性解离预处理、在线过滤、50 °C Cu²⁺配位、调pH进行Zn²⁺识别和标准加入实验，血清Cu²⁺回收率98.0–102.0%、RSDs为1.96–3.24%，Zn²⁺回收率97.9–102.1%、RSDs为3.03–4.20%；上游Cu²⁺传感对下游Zn²⁺影响可忽略（加标6.0 μM Zn²⁺时无/有上游TCPP/Ag的总Zn²⁺为20.01±0.06和19.92±0.04 μM，回收100.2%和98.6%），结论是平台在复杂血清中准确、可重复并支持顺序检测。

讨论部分总结：该研究将SERS金属离子传感的性能提升归因于对配位化学的主动调控，而非仅依赖等离激元基底或后采集光谱处理；温度与pH分别针对Cu²⁺–TCPP金属化和TPY–Zn²⁺配位的关键限制，DFT计算结果与实验优化条件相互支持，微流控集成进一步提高了复杂基质中的自动化、重复性和实用性。研究结论翻译：总之，分子配位过程的调控为解决传统SERS金属离子传感中与配位相关的局限提供了有效途径。50 °C热调控有效加速Cu²⁺对TCPP的金属化，7.0 pH调控调节TPY吡啶氮位点的质子化–去质子化平衡并促进Zn–N配位，从而实现对复杂血清基质中Cu²⁺和Zn²⁺的定量检测。DFT计算进一步从分子层面揭示温度和质子化依赖的配位行为。与微流控SERS装置集成后，所提策略实现准确可重复的血清分析，回收率为97.9–102.1%，相对标准偏差低于4.20%。该工作提供了一种通用策略，推动SERS传感从传统被动信号放大向分子识别化学主动调控发展，为复杂生物环境中的超灵敏分析提供新机会。