COF-Zincon双信号放大技术：一种高灵敏度的实时电化学传感器，用于检测Zn2+离子，有助于焦虑障碍的诊断

《Analytica Chimica Acta》：COF-Zincon Dual Signal Amplification: A Sensitive Real-Time Electrochemical Sensor for Zn2+ Detection Towards Anxiety Disorder Diagnosis

血清锌离子水平与焦虑症关联及新型电化学传感器研究 焦虑症伴随血清Zn2?水平显著下降，基于COF-Tp-Th负载AuNPs-Zincon复合材料的电化学传感器实现了双重信号放大，检测Zn2?灵敏度达纳摩尔级，为焦虑症快速诊断提供新方法

　　

邹洪龙|宋永贵|邵家琪|赖斌|傅清辉|艾志富|刘亚丽|平玉辉|苏丹|张友辉|梁慧慧

江西中医药大学针灸与脑科学研究中心，中国南昌梅岭路1688号，330004

摘要

背景

近年来，血清中总锌水平的异常已成为焦虑障碍的一个可靠指标。然而，测量总锌水平需要复杂的仪器和专业人员。因此，如果能够阐明血清中的Zn²⁺与焦虑障碍之间的具体关联，那么开发快速便捷的焦虑障碍诊断方法将具有很大潜力。在Zn²⁺检测领域，电化学检测方法已被研究用于精确、快速且经济地定量Zn²⁺。然而，目前大多数电化学系统缺乏特异性。

结果

本研究首次阐明了焦虑障碍与血清Zn²⁺水平之间的关系，研究发现小鼠的焦虑状态与血清Zn²⁺水平的显著下降相关。随后，开发了一种灵敏且特异的电化学传感器，用于检测Zn²⁺，在焦虑障碍的诊断中表现出优异的性能。该传感器利用共价有机框架材料（COF_Tp-Th）通过Au-N键负载大量金纳米颗粒（AuNPs），形成COF_Tp-Th-AuNPs材料。AuNPs可以增强电极催化作用和导电性，并作为后续材料整合的平台。此外，通过Au-S和Au-N键将大量Zincon试剂加载到AuNPs上，以提高电极的特异性，从而构建了目标电极改性材料COF_Tp-Th-AuNPs-Zincon。

意义

长程有序的COF_Tp-Th通过其由Tp和Th形成的四齿配位ONNO螯合位点吸附Zn²⁺，实现初级信号放大。同时，COF_Tp-Th-AuNPs-Zincon材料中丰富的Zincon对Zn²⁺具有高亲和力，有助于二级信号放大。这种方法显著提高了Zn²⁺的检测性能，为焦虑障碍的诊断和监测提供了有力支持。

引言

焦虑障碍是一种以过度担忧和紧张为特征的心理疾病[1]、[2]、[3]。如果长期得不到控制，它会对个体的身心健康、社会功能和生活质量造成严重损害[4]、[5]、[6]。相关研究表明，焦虑患者的血清总锌水平通常低于健康对照组[7]、[8]、[9]、[10]。然而，测量总锌水平需要复杂的仪器和专业人员[11]、[12]。因此，如果能够阐明血清中游离锌离子（Zn²⁺与焦虑障碍之间的具体关联，那么开发快速便捷的焦虑障碍诊断方法将具有很大潜力。

在Zn²⁺检测领域，电化学方法展示了显著的应用潜力，逐渐成为研究热点[13]、[14]。与传统检测技术（如原子吸收光谱法和电感耦合等离子体质谱法）相比，电化学检测不仅具有纳米摩尔级的灵敏度，还能通过电极修饰显著提高对Zn²⁺的选择性，避免常见共存金属离子的干扰[15]、[16]、[17]。此外，电化学检测方法具有检测时间短、设备成本低、操作简单以及无需复杂样品预处理等优点，使其在临床快速筛查、现场环境监测和大规模样品检测中不可或缺[18]、[19]、[20]、[21]。这些特点使电化学检测成为Zn²⁺分析的基石。

共价有机框架（COF）材料具有长程有序结构、高比表面积和可调结构等优点，这些特性使其具有丰富的活性位点，可用于增强检测信号[22]、[23]、[24]。此外，COF材料对生化污染具有优异的抵抗力[25]、[26]、[27]。金纳米颗粒（AuNPs）作为优异的电极材料，可增强电子转移动力学，降低界面电阻，并作为分子共轭的稳定介质[28]、[29]。Zincon通过Zn²⁺的配位和解配位作用实现有效的电子转移，使其成为识别和检测Zn²⁺的理想材料[30]、[31]、[32]、[33]。

在本研究中，我们通过实验发现焦虑障碍伴随血清Zn²⁺水平的下降。基于这一发现，我们开发了一种高选择性和灵敏度的电化学Zn²⁺传感器。该传感器首先利用COF_Tp-Th材料通过Au-N键结合AuNPs，然后通过Au-N和Au-S键将Zincon连接到COF_Tp-Th-AuNPs上，得到目标材料COF_Tp-Th-AuNPs-Zincon。由于COF_Tp-Th具有长程有序结构及四齿配位ONNO螯合位点，能够有效富集Zn²⁺，实现初级信号放大。进一步利用COF_Tp-Th作为基底材料结合大量Zincon，通过其对Zn²⁺的强特异性识别能力实现二级信号放大（图1）。这种方法为焦虑障碍的早期诊断和持续监测提供了新的方法。

材料与化学品

氯金酸、柠檬酸三钠和1,4-二氧杂环己烷购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。醋酸（HAc）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和甲醇（MeOH）购自西龙科技有限公司（中国广东）。对苯二甲酰二肼（Th）购自上海莱彦科技有限公司（中国上海）。2,4,6-三甲酰氟苯酚（Tp）购自上海宇源生物科技有限公司（中国上海）。Zincon和氯化锌购自...

动物实验

在本研究中，为了验证血清Zn²⁺含量与焦虑状态之间的关系，将小鼠分为对照组、模型组和给药组（每组8只）。对照组小鼠正常喂养，模型组通过CRS方法诱导焦虑，给药组在建立模型的同时通过腹腔注射给予地西泮（抗焦虑药物）[38]、[39]。图1A显示了开放式场地测试（OFT）的示意图。

结论

总之，本研究创新性地发现了焦虑障碍患者血清Zn²⁺水平的下降，并开发了一种灵敏高效的电化学传感器用于Zn²⁺检测。作为电极改性材料，长程有序的纳米材料COF_Tp-Th具有四齿配位ONNO螯合位点，能够有效吸附Zn²⁺。此外，当Zincon与高导电性的AuNPs结合后...

作者贡献声明

宋永贵：撰写——原始稿件、软件开发、方法学设计、概念构思。邹洪龙：撰写——原始稿件、软件开发、方法学设计、概念构思。梁慧慧：撰写——审稿与编辑、数据可视化、项目管理、数据分析。张友辉：撰写——审稿与编辑、实验设计。苏丹：数据分析、数据管理。平玉辉：撰写——审稿与编辑、项目管理。刘亚丽：撰写——审稿与编辑、项目管理。艾志富：

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

国家自然科学基金（22404068）、江西省科技计划（20242BAB20457、20243BCC31009、20224ACB218008）、江西中医药大学博士研究启动基金（2024BSZR017、2023BSZR017）、江西省青年科学家和技术人员培养项目（20244BCE52063）。江西中医药大学本科生创新创业培训项目（202410412187、202410412189X）。