缺陷工程介导的氧化还原增强电化学发光（ECL）技术，用于超高灵敏度检测大肠杆菌（E.Coli）

《Journal of Colloid and Interface Science》：Defect engineering-mediated OER-enhanced ECL for ultrasensitive detection of E.Coli

通过缺陷工程优化氧析出反应（OER）催化剂，构建了含氧空位的金属有机框架（MOFs）材料，显著提升Luminol/ECL体系的发光强度达4倍。材料缺陷增强ROS生成与富集，同时引入的Fc/Fc+循环促进ROS再生，最终开发出检测大肠杆菌（LOD 0.33 CFU/mL）的高灵敏ECL biosensor。

　　

邵一婷|王雪梅|刘汉喜|夏建飞|张菲菲|王宗华

青岛大学化学与化学工程学院，光电生物传感临床诊断与治疗应用技术创新中心，山东中日碳纳米材料合作研究中心，中国青岛266071

摘要

在实际应用中，鲁米诺的电化学发光（ECL）系统常常受到其缓慢反应动力学和强烈依赖溶解氧的制约。本文报道了一种通过缺陷工程增强氧进化反应（OER）催化的创新策略，为提高鲁米诺/H₂O系统中ECL性能的动力学过程提供了新的见解。在本研究中，将铁茂单羧酸（FcCA）与镍基金属有机框架（NiBDC MOFs）的拓扑结构配位连接，构建了Fc-NiBDC MOFs，显著提升了OER性能，使鲁米诺的ECL强度提高了4倍。这主要是因为FcCA在相邻的镍位点诱导了配位缺陷，产生了高密度的氧空位，从而促进了活性氧（ROS）的转化。同时，由于FcCA对羟基具有强吸附能力，它能够显著增加活性位点处的ROS局部浓度。此外，引入的Fc/Fc⁺氧化还原循环不断加速ROS的生成和转化，从而构建了一个高效的ROS循环再生机制。这种三重协同增强效应有效地促进了ROS的持续生成和高效富集，从而显著提高了固定在NiBDC MOFs上的鲁米诺的ECL效率。基于此构建的生物传感器用于高灵敏度检测E.coli，检测限（LOD）低至0.33 CFU mL^?1。这一策略为基于MOFs的ECL系统中的缺陷工程开辟了新的途径，为病原体诊断提供了一个多功能平台。

引言

电化学发光（ECL）技术因其低背景噪声和高灵敏度等优点而在分析检测领域得到了广泛应用[1]，[2]。ECL的产生本质上依赖于电活性物质的自由基之间的电荷转移反应。因此，如何提高发光团和共反应物的生成速率以及它们之间的相互作用效率已成为当前研究亟需解决的关键科学问题[3]，[4]。鲁米诺是最经典的发光团之一[5]，[6]。活性氧（ROS）作为鲁米诺的内源性共反应物，具有可持续性、无毒性和高可控性等显著优势。然而，水中氧的溶解度有限严重限制了反应动力学，从而导致ROS产率低，发光效率降低。为了突破这一瓶颈，研究人员开发了多种策略来提高ROS生成效率，包括采用预氧化[7]，[8]和预还原来调节初始反应状态[9]，强化传质和反应过程[10]，[11]，以及引入功能性材料作为共反应物加速剂来优化反应动力学[12]，[13]。具体来说，Zang等人开发了亚1纳米的钼酸镍纳米线（NiMoO₄ S1 NWs），这些纳米线在水电解过程中发生氧化生成ROS，最终显著增强了鲁米诺的ECL信号[14]。此外，高强度聚焦超声诱导的空化效应可以调节发光反应途径，有效促进ROS的生成，从而增强ECL[15]。另外，Xu等人利用铂（Pt）和镍（Ni）基纳米材料中的分散金属活性位点作为协同共反应物促进剂，催化生成更多的超氧阴离子，从而增强了ECL强度[16]。尽管这些策略在一定程度上提高了ROS的产率，但在实际应用中实现高效连续生成、局部富集和有效利用ROS仍面临重大挑战。

在催化领域，金属有机框架（MOFs）因其可调的孔结构和可行的功能化而成为众多纳米材料中的佼佼者[17]，[18]，[19]。合理设计金属节点和有机配体可以精确调控MOFs的电催化活性[20]，[21]，[22]。近年来，有意识地利用和策略性地运用MOF缺陷工程已成为显著提升催化性能的有效方法。缺陷的构建方法多种多样，其中空位缺陷[23]，[24]，[25]，节点缺陷[26]，[27]和配体缺陷[28]，[29]受到了广泛研究关注。例如，通过部分配位缺陷在MOFs中引入空位可以有效打破其电子结构的对称性，产生不饱和配位位点，从而显著提高催化活性[30]。此外，Zhang等人通过在Ni-MOF纳米花中的次级位点逐步精确替换Fe原子为Ni原子，赋予Ni-MOF纳米花出色的OER性能和优异的稳定性[31]。此外，Gopalakrishnan等人设计的镍铁氧化物（Ni_0.6Fe_2.4O₄@NC）具有三维扭曲的配体结构，由于其缺陷配置，展示了高的电催化活性，这种活性是由氧还原反应和氧进化反应（OER）效率的协同增强驱动的[32]。这些缺陷位点不仅可以作为高效的催化中心促进ROS的大量生成，还可以作为吸附位点稳定反应中间体，防止活性物种的扩散和损失。这为构建高效稳定的鲁米诺共反应ECL系统提供了全新的思路。

利用MOFs在催化领域的显著优势，并结合我们之前在电催化-ECL系统方面的研究基础[33]，我们率先将缺陷工程引入ECL研究领域（方案1）。通过竞争性配位策略，将铁茂单羧酸（FcCA）引入镍-1,4-苯二甲酸MOFs（NiBDC MOFs），成功合成了富含氧空位并具有双铁茂基活性中心的Fc-NiBDC MOFs。FcCA在相邻的镍位点诱导有机配体的缺失，产生大量晶格缺陷即氧空位，从而加速H₂O的分解，生成丰富的ROS。同时，缺陷结构对ROS具有强吸附作用，使得ROS在鲁米诺周围有效富集。此外，引入的铁茂基团可以通过可逆的Fc/Fc⁺氧化还原循环不断促进ROS的生成和转化，从而建立了一个高效的ROS循环再生机制。这种三重协同增强效应有效地解决了鲁米诺/H₂O系统中ROS持续生成和高效富集的挑战。在此基础上，构建了一个信号开启的ECL生物传感器，实现了对E.coli的高灵敏度检测。这项研究不仅阐明了MOFs缺陷工程调节OER增强以优化ECL性能的机制途径，还开发了一个实用的分析平台，能够高通量检测病原微生物，并提高了检测灵敏度。

材料

1,4-苯二甲酸（BDC，98%），铁茂单羧酸（FcCA，97%），Ni(NO₃)₂﹒6H₂O（98%），三(2-羧乙基)膦盐酸盐（TCEP，98%），柠檬酸钠（99%），鲁米诺（98%）和N,N-二甲酰胺（DMF，99.5%）购自上海麦克林生化有限公司（中国上海）。三水合氯金酸（99.9%）购自国药化学试剂有限公司。1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC，98%），N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）

缺陷工程的调控与优化

FcCA的引入可以占据结构中部分有机配体的位置，破坏原有的有序排列并产生缺陷位点。为了研究缺陷程度对性能的影响，分别用不同剂量的FcCA（X = 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6，仅在合成过程中调整FcCA的剂量）合成了Fc-NiBDC（X:1）样品。采用X射线衍射（XRD）来探究FcCA掺杂对晶体的影响

结论

在本研究中，我们提出了一种基于缺陷工程的ECL增强策略，开创了利用MOFs作为高效电催化剂的新范式。通过引入FcCA作为竞争性配体，微妙地调节了金属节点的配位环境，从而构建了高密度的氧空位缺陷。这些有缺陷的MOFs由于出色的OER性能，加速了ROS的生成和转化，而氧空位可以吸附

CRediT作者贡献声明

邵一婷：撰写——原始草稿，实验研究，数据管理。王雪梅：撰写——审阅与编辑，方法学，概念构思。刘汉喜：撰写——原始草稿，实验研究，数据管理。夏建飞：实验研究，资金获取，数据管理，概念构思。张菲菲：撰写——审阅与编辑，方法学，资金获取，概念构思。王宗华：撰写——审阅与编辑，监督，方法学，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了山东省自然科学基金（ZR2020MB063，ZR2021MB069，ZR2020MB060），山东省泰山学者计划（ts201511027）以及青岛滨海大学研究与创新平台/团队计划（编号PTK202502）的财政支持，中国。