基于In2Se3/Ag3PO4复合材料的阴极电化学发光生物传感技术，用于p-Tau181蛋白的灵敏检测

《Talanta》：Cathodic electrochemiluminescence biosensing based on In 2Se 3/Ag 3PO 4 composite for sensitive detection of p-Tau181 protein

本研究开发了一种高灵敏度阴极电化学发光（ECL）生物传感器，用于阿尔茨海默病标志蛋白p-Tau181的检测。通过In?Se?/Ag?PO?复合材料优化ECL发射，并采用CeO?@PDA核壳纳米结构实现ECL共振能量转移（ECL-RET）信号淬灭，在10 pg/mL至150 ng/mL范围内呈现线性响应（R2=0.997），检测限低至3.2 pg/mL（S/N=3），成功应用于血清样本检测，为早期诊断提供可靠平台。

　　

孙万军|魏玉萍|刘星培|陈静淮|朱慧|毛长杰|金宝康

安徽大学化学与化学工程学院，结构与功能调控混合材料重点实验室（教育部），无机/有机杂化功能材料安徽省重点实验室，功能无机材料安徽省重点实验室，中国合肥230601

摘要

本研究开发了一种高灵敏度的阴极电化学发光（ECL）生物传感器，用于检测p-Tau181蛋白，这是一种阿尔茨海默病的关键生物标志物。该生物传感器使用新型In₂Se₃/Ag₃PO₄复合材料作为ECL发射体。通过用In₂Se₃掺杂Ag₃PO₄，可以精确调节其能带结构，从而显著提高ECL强度和稳定性，改善电荷分离效率和电子转移速率。CeO₂@聚多巴胺（PDA）核壳纳米颗粒作为高效能量受体，通过ECL共振能量转移（ECL-RET）机制抑制ECL信号。该生物传感器采用夹心免疫测定格式构建，目标p-Tau181蛋白的特异性结合使CeO₂@PDA-Ab₂结合物靠近In₂Se₃/Ag₃PO₄修饰电极，导致信号强度随浓度变化而变化。在最佳条件下，该生物传感器的检测范围为10 pg/mL至150 ng/mL（R²=0.997），检测限低至3.2 pg/mL（S/N=3）。其对潜在干扰物具有优异的特异性和稳定性，并成功应用于加标人血清样本中p-Tau181的检测，回收率令人满意。这项工作为阿尔茨海默病的早期诊断和监测提供了一个有前景且可靠的平台。

引言

阿尔茨海默病（AD）是一种常见的神经退行性疾病，已成为一个重大的公共卫生问题，严重影响了全球人口的健康。其发病和进展涉及多种病理生理过程的相互作用[1]。Wischik及其同事从阿尔茨海默病患者的大脑组织中分离出了tau蛋白，首次证明tau蛋白可能是AD的重要病理变化。在AD患者的大脑中，tau蛋白发生过度磷酸化，导致其构象变化，从而失去与微管蛋白聚合的能力并损害其功能。因此，tau蛋白的过度磷酸化被认为是AD的典型病理特征[2]，[3]，[4]。研究表明，血浆中的p-Tau 181水平与脑脊液中的变化相似，并与晚期局部tau蛋白沉积相关。因此，血浆p-Tau 181可以作为AD临床前阶段的筛查和诊断标志物。如何有效检测p-Tau 181也是研究的重点。目前，检测p-Tau181蛋白的方法包括免疫测定技术[5]、质谱法[6]和纳米孔单分子检测技术[7]。然而，这些检测方法的临床应用存在某些限制，主要是由于设备成本相对较高和操作程序相对复杂。因此，开发一种高特异性、选择性、经济性强且能高灵敏度检测p-Tau181的技术至关重要。

电化学发光（ECL）是一种结合了电化学和化学发光的新技术。该技术依赖于电极表面发生的电化学反应：激发态物种在回到基态时释放光子。通过检测这种光信号可以进行分析测量，代表了电化学和光谱学的完美融合[8]。ECL免疫测定技术具有高灵敏度和稳定性、快速响应时间以及易于控制的特点。因此，ECL免疫测定作为一种重要且强大的分析工具，因其对多种分析物（包括病毒、细菌和蛋白质生物标志物）的极高灵敏度检测能力而受到广泛关注[9]。为了进一步提高电化学发光生物传感器的检测性能，研究人员开发了各种先进的信号放大策略和新型材料系统[10]，[11]，[12]。其中，电化学发光共振能量转移（ECL-RET）是一种强大的技术，其核心优势在于通过能量供体和受体之间的精确相互作用实现高灵敏度和选择性的生物分子检测。它被用于检测各种生物过程，如蛋白质-蛋白质相互作用、DNA/RNA检测和配体-受体结合，以响应与特定目标分子的相互作用[13]。

最有前景的光催化剂之一是正磷酸银（Ag₃PO₄），这是一种具有显著氧化能力、低带隙（约2.4 eV）和优异可见光吸收（<530 nm）的半导体[14]。然而，关于Ag₃PO₄在ECL传感器中的应用在研究中较少见。具体来说，我们发现Ag₃PO₄在连续电化学测试过程中容易发生光腐蚀，导致其ECL信号迅速减弱[15]。其固有的弱电荷分离能力进一步限制了ECL强度[16]。因此，研究人员致力于扩展Ag₃PO₄在ECL免疫传感器中的应用。例如，M. S. Khan等人[17]使用银/正磷酸银/氧化石墨烯（Ag/Ag₃PO₄/GO）复合材料作为ECL供体来检测前列腺特异性抗原。通过构建Ag/Ag₃PO₄/GO复合材料，利用GO的大比表面积和丰富的官能团与Ag的增强导电性，同时解决了Ag₃PO₄脱落和ECL应用中电子转移效率低的问题。基于上述研究，本文采用In₂Se₃/Ag₃PO₄复合材料作为阴极发光材料。一方面，这种方法显著增强了Ag₃PO₄的分散性；另一方面，这种错位的能带排列促进了界面处内置电场的形成，从Ag₃PO₄指向In₂Se₃。该电场有效驱动光生电子-空穴对的方向性分离，显著抑制了它们的复合，从而为高效的ECL过程提供了充足的自由电荷载体。此外，为了提高检测灵敏度和特异性，本研究引入了CeO₂@PDA核壳纳米结构作为能量受体。聚多巴胺（PDA）具有宽谱光吸收和优异的电子接受能力，能够有效捕获激发态发光材料产生的光子或电子，显著提高信号转换效率。同时，PDA涂层具有良好的生物相容性，其表面富含儿茶酚和胺等活性官能团，为抗体固定提供了理想的反应位点[18]。CeO₂表现出强催化活性，进一步促进了能量转移过程[19]。这两种组分的相互作用具有协同效应，显著抑制了ECL信号，通过ECL-RET机制实现了对p-Tau181蛋白的灵敏检测。

实验部分

试剂、仪器以及In₂Se₃、In₂Se₃/Ag₃PO₄、CeO₂和CeO₂@PDA-Ab₂的制备方法见支持材料。

Ag₃PO₄、In₂Se₃和In₂Se₃/Ag₃PO₄复合材料的特性

我们使用SEM（图1）表征了In₂Se₃、Ag₃PO₄及其复合材料In₂Se₃/Ag₃PO₄的形态。In₂Se₃材料呈现球形纳米花形态，平均直径约为4 μm（图1A-B）。Ag₃PO₄材料的平均粒径约为100 nm（图1C）。在图1D和图1E中可以看到球形Ag₃PO₄颗粒嵌入In₂Se₃的空腔中，从而证实了In₂Se₃/Ag₃PO₄的成功合成

结论

本研究开发了一种高效的p-Tau181蛋白检测生物传感器。In₂Se₃/Ag₃PO₄被用作ECL能量供体，在共反应物作用下表现出稳定且高效的阴极发光信号。CeO₂@PDA作为能量受体来抑制信号，实现了对目标因子的灵敏检测。所开发的生物传感器的检测限为3.2 pg/mL（S/N=3），检测范围为10 pg至150 ng。

CRediT作者贡献声明

孙万军：撰写 – 原始草稿，研究，概念构思。魏玉萍：验证，研究。刘星培：监督，研究。陈静淮：验证，方法学。朱慧：监督，研究。毛长杰：撰写 – 审稿与编辑，监督。金宝康：撰写 – 审稿与编辑

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了安徽省自然科学基金项目（2022AH050092）和合肥市科技重点项目（2025SKJGGHLG008）的支持。