《Biosensors and Bioelectronics》：Engineering a Self-Sufficient ECL System: Oxygen-Vacancy-Driven O
2 Generation and Nanozyme Confinement for Bioanalysis
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氧空位富集的Fe-Co-CeO2@Ti3C2(OH)2异质结构通过氧析出反应持续生成氧气，与FeCo-NH2-BDC探针协同实现超氧自由基高效放大，构建了无需传统氧化剂的电化学发光免疫传感平台，对CEA检测的线性范围达10pg/mL-25ng/mL和35pg/mL-50ng/mL，检测限分别为6.35pg/mL和12.42pg/mL。
Nastaran Arab|Morteza Hosseini|Guobao Xu|Hodjattallah Rabbani
纳米生物传感器实验室，纳米生物技术和仿生学系，生命科学工程学院，跨学科科学技术学院，德黑兰大学，德黑兰1439817435，伊朗
摘要
非贵金属纳米催化剂中的氧空位虽然已被广泛用于氧演化反应（OER），但很少被用于电化学发光（ECL）免疫传感。在这项工作中，我们报道了一种新型Fe–Co–CeO2@Ti3C2(OH)2异质结构的合理构建，该结构结合了Fe–Co双活性位点和丰富的氧空位，通过无能耗共沉积策略在接近中性的条件下实现高效的OER。值得注意的是，Fe–Co–CeO2@Ti3C2(OH)2异质结构不仅增强了OER活性，而且异质结构中富含氧空位的CeO2纳米颗粒在没有传统共反应物（例如H2O2或溶解的O2）的情况下促进了鲁米诺体系中超氧阴离子（O2•-）的生成。此外，FeCo-NH2-BDC被用作信号探针，其内在的氧化酶模拟活性催化O2转化为O2•-，进一步放大了ECL响应。通过整合这些多重放大途径，我们开发了一种用于高灵敏度检测癌胚抗原（CEA）的新型生物传感平台。ECL信号分别使用光电倍增管（PMT）和基于智能手机的可视化读数进行量化，线性响应范围为10 pg mL-1–25 ng mL-1（LOD: 6.35 pg mL-1）和35 pg mL-1–50 ng mL-1（LOD: 12.42 pg mL-1）。这项工作为高性能生物分析提供了一种强大的方法，并为开发超灵敏、用户友好的诊断设备提供了有希望的途径。
引言
在现代临床实践中，使用生物标志物进行诊断、治疗监测和预后评估具有重要意义。在肿瘤学中，生物标志物分析在评估疾病进展、治疗效果以及治疗后的复发风险方面起着关键作用（Ganesh等人，2025年）。在这些生物标志物中，癌胚抗原（CEA）已成为结直肠癌和其他癌症的重要指标。临床上，CEA检测常被用作术后监测结肠癌的有效工具，因为它们具有可靠性和预后价值（Niedzielska和Jastrz?bski，2025年）。在健康成年人中，血液中的CEA水平通常很低；浓度升高可能表明存在恶性肿瘤，尤其是结直肠癌。然而，异常的CEA水平也可能与胰腺、肝脏、乳腺、卵巢或肺癌相关（Lei等人，2025年）。因此，术前和术后的CEA测量是评估手术成功和患者预后的重要指标。CEA不仅作为一个独立的诊断标志物，还用于长期监测。化疗期间的连续测量可以提供关于治疗反应的及时信息，水平下降通常表明治疗效果良好，而水平上升或持续偏高则表明治疗效果不佳或疾病进展。这些纵向趋势对长期结果也有预后价值（Yang等人，2022年）。传统的CEA检测技术，包括Western blotting、酶联免疫吸附测定（ELISA）、免疫组化（IHC）、免疫荧光和流式细胞术，由于其公认的灵敏度和特异性，已成为成熟的诊断工具（Sun等人，2025年）。尽管这些方法提供了可靠的分析性能，但它们在某些诊断场景中存在实际限制。需要专门的设备、受过培训的人员以及相对较长的处理时间，这可能影响它们在即时护理应用或高通量筛查环境中的适用性。此外，这些技术的相关成本可能对资源有限的环境或常规监测应用构成挑战。
电化学发光（ECL）检测结合了电化学技术和化学发光的优点，具有低背景信号、高灵敏度和亚纳摩尔检测限等显著优势（Arab等人，2024a；Mortazavi等人，2025年）。鉴于这些优势，ECL生物传感器被广泛应用于各种领域，提供了精确、可靠和高效的测量，这对于临床诊断、环境监测和生物分子研究至关重要（Arab等人，2024b；Arab等人，2025年）。鲁米诺及其衍生物因其高量子产率和低施加电位而被广泛用作高效发光剂。它们的ECL机制依赖于来自共反应物的活性氧物种（ROS），这些ROS将鲁米诺氧化到激发态并释放光（Bushira等人，2021年；Zhang等人，2018年）。通常，过氧化氢（H2O2）被用于鲁米诺ECL系统中生成ROS，但其不稳定性限制了其实际应用。溶解氧（O2）已被探索作为替代共反应物，可以减轻与H2O2相关的不稳定性并维持鲁米诺的发射（Fan等人，2025年）。然而，O2与鲁米诺之间的反应效率仍然相对较低，溶解氧浓度的变化进一步限制了其实际效用（Bushira等人，2022年；Qiao等人，2018年）。因此，应投入大量研究努力来提高鲁米诺-O2系统的ECL效率，以便在未来生物分析测试中更广泛地应用。
在鲁米诺-O2 ECL系统中，ROS可以通过阳极极化下的氧演化反应（OER）电化学生成。然而，未修饰阳极上OER的固有动力学限制要求过电位过高（Mittal等人，2025年）。基于Ru/Ir的氧化物被广泛用作工业水电解器中的阳极催化剂，以减轻与OER相关的高过电位（Geu?等人，2025年；Yu等人，2025年）。然而，它们的稀缺性、高成本和有限的操作耐久性严重限制了它们的广泛商业应用。这推动了开发无贵金属OER催化剂的密集研究（Huang等人，2024年；Zhao等人，2021年）。二氧化铈（CeO2）因其出色的电催化性能和在OER中的氧储存能力而受到广泛关注（Fan等人，2025年）。此外，MXenes作为高效的催化剂载体，能够调节活性位点的电子性质（Asadi等人，2025年）。丰富的表面化学性质、优异的金属导电性和固有的亲水性使它们成为理想的催化剂基底材料（Khan和Andreescu，2024年）。含有各种过渡金属的MXenes在“M”位点、多样的表面终止和多种异质结构设计已在OER电催化系统中得到研究（Kan等人，2021年；Mao等人，2024年；Qiu等人，2019年；Ram等人，2023a，b；Razzaq等人，2024年）。
受其他工作的启发，我们引入了Fe–Co–CeO2@Ti3C2(OH)2，这是一种具有优异OER活性的新型异质结构，同时可作为抗体固定的有效支架。详细表征显示，该异质结构在中性介质中表现出显著的电催化性能，这归因于：（i）丰富的缺陷位点，包括界面异质结、晶格应变、配位不饱和的边缘原子和氧空位；（ii）Fe-Co双活性位点与CeO2/Ti3C2(OH)2载体之间的优化电子耦合；以及（iii）优异的亲水性，提高了电解质的可及性。值得注意的是，CeO2纳米颗粒中的氧空位增强了氧还原动力学，通过Ce3+/Ce4+氧化还原循环促进了超氧阴离子（O2•-的生成，从而增强了鲁米诺电化学发光（ECL），同时提高了电导率和催化活性。此外，封装了FeCo-NH2-BDC的鲁米诺（Luminol@ FeCo-NH2-BDC）作为信号探针和二次抗体（Ab2）标记的共反应加速剂。MOF的协同性质，包括氧化酶模拟活性、高鲁米诺负载能力和内在的共催化功能，共同增强了ROS的产生，从而显著提高了鲁米诺-O2 ECL系统的效率。图1展示了所提出的免疫传感器的制备过程，用于视觉检测CEA。
实验部分
关于材料、试剂、仪器和纳米结构合成过程的详细信息请参见支持信息。
Ti3C2(OH)2和Fe,Co-CeO2@Ti3C2(OH)2的表征
Ti3C2(OH)2和Fe,Co–CeO2@Ti3C2(OH)2杂化的成功合成通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子光谱（XPS）进行了确认。Ti3C2(OH)2的FESEM图像（图1A）显示了单层至多层MXene片层的形态（Sharifi等人，2024年）。相比之下，Fe,Co–CeO2@Ti3C2(OH)2的FESEM图像（图1B）揭示了...
结论
总之，我们提出了一种基于合理设计的多层次信号放大策略的视觉和高度敏感的CEA检测ECL免疫传感平台。在温和条件下合成的富含氧空位的Co–CeO2@Ti3C2(OH)2能够在接近中性的介质中有效驱动OER，实现连续的原位O2生成，并促进超氧介导的鲁米诺ECL途径的激活。同时，FeCo–NH2–BDC纳米酶既具有高容量的...
CRediT作者贡献声明
Hodjattallah Rabbani：写作 – 审稿与编辑，资源，方法学。Guobao Xu：写作 – 审稿与编辑，资源，方法学。Morteza Hosseini：写作 – 审稿与编辑，可视化，监督，资源，方法学，概念化。Nastaran Arab：写作 – 审稿与编辑，原始草稿，可视化，验证，方法学，研究
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致谢
我们感谢伊朗国家科学基金会（INSF编号：4039575）和德黑兰大学对这项工作的财政支持。
