《Biochemical Engineering Journal》：Next-Generation Insulin Biosensing: A Highly Sensitive, Non-Aptameric Nickel Metal Organic Framework based Electrochemical Sensor
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迪帕·库马里（Deepa Kumari）| 查雅·拉维·坎特（Chhaya Ravi Kant）
印度德里英迪拉·甘地女子技术大学应用科学与人文系，德里 - 110006
摘要
在人体中检测胰岛素至关重要，因为胰岛素水平的波动是多种代谢紊乱的预测指标。通过准确的胰岛素剂量控制
迪帕·库马里（Deepa Kumari）| 查雅·拉维·坎特（Chhaya Ravi Kant）
印度德里英迪拉·甘地女子技术大学应用科学与人文系，德里 - 110006
摘要
在人体中检测胰岛素至关重要，因为胰岛素水平的波动是多种代谢紊乱的预测指标。通过准确的胰岛素剂量控制，可以实现对糖尿病患者的正确诊断。然而，在消费市场中，目前还没有便携式仪器可用于快速检测胰岛素，这使得这一过程变得繁琐。因此，迫切需要在临床和消费层面制造出高特异性、快速且精确的胰岛素生物传感器。金属-有机框架（Metal-Organic Frameworks）是一类具有高表面积的多孔纳米材料，非常适合用于制造胰岛素生物传感器。在这项研究中，我们使用六水合氯化镍（NiCl?·6H?O）作为前体，苯-1,3,5-三羧酸（H?BTC）作为配体，通过简便的水热法合成了镍金属有机框架（Ni MOF）用于胰岛素的电化学检测。所合成的材料通过SEM-EDAX分析、XRD和FT-IR光谱进行了表征。此外，还进行了TEM表征、BET分析和热重分析（TGA）。制备的Ni MOF/镍泡沫电极表现出宽的检测范围（0.1 μM – 20 μM）、较低的检出限（44.7 nM）以及高灵敏度（221.3 nAμM?1 cm2）。总体而言，Ni MOF/NF显示出优异的稳定性、更高的特异性和重复性，因此是一种有前景的胰岛素检测材料。
引言
1921年，弗雷德里克·G·班廷（Frederick G. Banting）和查尔斯·H·贝斯特（Charles H. Best）两位科学家发现了胰岛素，这是20世纪最重大的生物医学发现之一[1]。胰岛素是一种由胰腺β细胞分泌的球状蛋白质，通过肝门静脉进入血液循环，分布到全身各处。人体血液中的空腹胰岛素水平为25 mIU/L（或0.86 ng/L）[2]。胰岛素是一种分子量为6000道尔顿的庞大生物分子，是一种调节人体血糖水平的代谢激素[3]。胰岛素分子由两条多肽链组成：A链包含21个氨基酸，B链包含30个氨基酸，它们通过A7–B7和A20–B19位置的二硫键连接[4]。胰岛素分子的活性部分位于A链的1–3、12–17和19位点，以及B链的8–25位点[1]，如图1所示。
由于胰腺功能障碍导致胰岛素在人体内的异常产生，可能会引发一种称为糖尿病的代谢紊乱，而糖尿病又是许多其他致命疾病的前兆[7]。最常见的类型是1型糖尿病（DM1），也称为胰岛素依赖型糖尿病（IDDM），在这种情况下，胰腺无法产生足够的胰岛素。因此，糖尿病患者需要精确的胰岛素剂量来调节血糖水平[8]。每国际单位（IU）胰岛素剂量（0.0347 mg）可使血糖水平降低2.5 mM（或45 mg/dl）[9]。因此，对于这类患者来说，准确检测胰岛素至关重要。第二种类型是2型糖尿病（DM2），也称为非胰岛素依赖型糖尿病（NIDDM），此时身体对胰岛素产生抵抗。第三种是妊娠糖尿病，表现为怀孕期间血糖水平突然升高。孕妇和胎儿同时患有DM2的风险很高[10]。因此，为了监测糖尿病患者餐后血糖水平的变化以及实现最佳的血糖控制，迫切需要定量测量胰岛素。
已经探索了多种胰岛素定量检测方法，包括实验室常用的酶联免疫吸附测定（ELISA）、放射免疫测定、化学发光免疫测定和高性能液相色谱[11][12]。这些方法对胰岛素具有高特异性和精度，检测限可达皮摩尔级别，但成本高昂，因为需要复杂的仪器和熟练的操作人员。样本制备过程也很繁琐且耗时，而且只能在特定条件下的集中实验室中进行检测。鉴于当前胰岛素检测技术的这些缺点，直接且精确的电化学检测方法对于开发快速、灵敏的胰岛素传感器至关重要[13]。研究重点在于开发一种技术，能够使用一次性试纸条进行胰岛素检测，就像使用血糖仪测量血糖一样，适用于即时检测应用。
为了克服反应动力学慢、反应物和副产物在表面吸附等问题，通常会用电催化纳米材料对电极进行改性，以增强电化学性能[14]。与银、铂或钯纳米颗粒相比，镍纳米颗粒（Ni NPs）因其较大的比表面积、高电导率和高的电催化活性而成为更优选的材料[15]。文献研究表明，基于镍的纳米结构在碱性介质中对胆固醇、胰岛素和葡萄糖等多种生物分析物的氧化具有优异的电催化性能[16]。此外，碳纳米管（CNTs）也因其导电性、长期稳定性和良好的电化学性质而在制造高精度生物传感器中发挥了重要作用[17]。迄今为止，不同过渡金属和金属氧化物（如NiO、CuO、CoO等）纳米颗粒在胰岛素检测方面的电催化参数已被广泛研究并报道[18]。不过，这些电极的共同缺点是稳定性较差，或者需要复杂的制备过程。
为了解决这些问题，一类新型多孔材料——金属-有机框架（MOFs）被视为有前景的胰岛素传感器材料。MOFs通常由铜（Cu）、镍（Ni）等过渡金属的盐与有机配体结合而成[19]。MOFs具有多个优点，如较大的表面积、可调节的孔结构和多样的结构，以及多个活性位点[20]。文献表明，基于镍的纳米结构在施加电位时能形成Ni2?/Ni3?活性物种，从而提供更好的导电性和胰岛素催化氧化性能[20]。胰岛素分子与Ni MOF的分子对接研究也证实了其更强的结合亲和力（使用CB Dock 2分子对接软件得到的Vina评分为-5.1），表明蛋白质分子（胰岛素）与配体分子（Ni MOF）之间形成了强键，使其成为胰岛素检测的有希望的候选材料。本文报道了基于镍金属有机框架（Ni MOF）涂覆在镍泡沫（NF）上的重组人胰岛素的电化学检测方法，采用了循环伏安法和计时安培法进行分析。Ni MOF通过简单的水热法合成，并通过SEM-EDAX显微镜、X射线衍射（XRD）和FT-IR光谱以及TEM分析进行了表征。还进行了TGA分析和Brunauer–Emmett–Teller（BET）测量。制备的Ni MOF/NF电极在室温常压下的碱性条件下表现出优异的电催化活性，具有宽的检测范围、快速响应、较低的检测限、高灵敏度和出色的稳定性。同时，还研究了潜在干扰物（葡萄糖、抗坏血酸和尿酸）对胰岛素检测的影响。
章节片段
试剂和化学品
实验中使用的重组人胰岛素C???H???N??O??（分子量5808 g/mol）购自Sigma Aldrich公司。镍泡沫（NF）来自Nanoshel Chemical公司（印度Intelligent Materials Pvt. Limited）。六水合氯化镍（NiCl?·6H?O，纯度99.99%）和氢氧化钠颗粒（超纯AR，纯度98%）购自SRL化学品公司。N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度99%）和乙醇（C?H?OH，纯度99%）溶液来自Loba公司
结构和形态表征
粉末X射线衍射（PXRD）是一种分析方法，可以揭示材料的晶体结构和相参数。如图2A所示，Ni MOF的蜂窝状晶格由配体（H?BTC）分子构成，镍中心（Ni(II)离子与三个羧基结合，形成了排列有序的纳米球形三维结构[22]。图2B显示了Ni MOF粉末的X射线衍射图谱，其中在2θ角处有尖锐的峰
结论
在本研究中，通过简单的一步水热法成功合成了导电性Ni MOF，并证明其是一种高效的胰岛素电催化氧化传感器。Ni MOF/NF的优异电催化性能首先归因于原始MOF的良好导电性。其次，单金属MOF为胰岛素催化提供了活性金属位点。此外，Ni MOF/NF还具有...
作者贡献声明
查雅·拉维·坎特（Chhaya Ravi Kant）：负责撰写、审稿和编辑、资源协调、方法设计以及数据分析。迪帕·库马里（Deepa Kumari）：负责撰写初稿、软件开发、方法设计、实验研究以及数据分析。
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手稿中的研究工作。
致谢
作者迪帕·库马里感谢德里英迪拉·甘地女子技术大学应用科学与人文系的拉曼实验室（Raman Lab）提供的财务和技术支持，使得研究工作得以顺利完成。
遵守伦理标准
本实验工作不涉及任何需要生物伦理机构批准的体内分析或活体细胞研究。
