基于MXene-金纳米复合材料(Au NCFs/MXene)修饰玻碳电极(GCE)的无标记电化学适配体传感器用于食品中色氨酸(Trp)的灵敏检测

《Journal of Food Composition and Analysis》：Label-Free Electrochemical Aptasensor Based on MXene-Gold Nanocomposite Modified Glassy Carbon Electrode for Sensitive Detection of Tryptophan in Food

　　

将纳米材料与适配体传感器整合是提升电化学传感平台性能的有效策略。本研究将合成的金纳米花(gold nano cauliflowers, Au NCFs)沉积于MXene纳米片上，构建具有高空穴电导率的Au NCFs/MXene复合材料，并利用其修饰玻碳电极(glassy carbon electrode, GCE)制备无标记阻抗型适配体传感器。MXene与Au NCFs的协同作用不仅改善了体系电化学行为，还通过Au-S键增强巯基修饰适配体链的固定。所得电化学适配体传感器为超灵敏定量色氨酸(tryptophan, Trp)提供了稳健平台，线性范围宽达0.10 fM至300 nM，检出限(limit of detection, LOD)低至0.03 fM，并成功应用于食品中Trp的电化学测定，证实其实用性。

基于MXene-金纳米花复合修饰玻碳电极的无标记电化学适配体传感器检测食品中色氨酸的研究解读

研究背景与意义

色氨酸(tryptophan, Trp)是人体必需氨基酸，是合成血清素等神经递质的前体，摄入不足可致神经障碍，过量则引发口腔溃疡及肌痛。传统色谱法测定食品中Trp需昂贵仪器且前处理复杂，而电化学生物传感器因其便携、低成本、快速响应受关注。适配体(aptamer)系经指数富集配体系统进化(systematic evolution of ligands by exponential enrichment, SELEX)筛选的单链DNA/RNA，具高亲和与高特异性。构建高性能电化学适配体传感器的瓶颈在于电极基底材料——需兼顾生物相容性与导电性，并提供充足活性位点固定适配体。MXene（典型为Ti₃C₂T_x，由MAX相Ti₃AlC₂选择性刻蚀Al层制得）具大比表面积、金属级导电性及丰富表面官能团；金纳米结构尤其花状金纳米花(gold nano cauliflowers, Au NCFs)可提供多级活性位并促进电荷转移，二者复合可防纳米粒子聚集并协同增强电子传递。本研究由Mousavi SM等发表于《Journal of Food Composition and Analysis》，旨在构建Au NCFs/MXene复合膜修饰玻碳电极(glassy carbon electrode, GCE)的无标记阻抗型适配体传感器，实现食品中Trp的超痕量检测。

主要关键技术方法

研究人员采用水相化学还原法制备Au NCFs，再与MXene纳米片超声混合得Au NCFs/MXene复合材料；将复合物分散于DMF滴涂于抛光活化的GCE表面，通过Au–S共价键固定5′-硫醇化Trp适配体，以2-巯基乙醇(2-mercaptoethanol, MCE)封闭非特异性位点制成适配体传感器。表征手段包括傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR)、场发射扫描电镜(field emission scanning electron microscopy, FE-SEM)及能谱仪(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)。电化学表征与检测采用电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)与循环伏安法(cyclic voltammetry, CV)，以5 mM K₃[Fe(CN)₆]/K₄Fe(CN)₆含0.1 M KCl为探针溶液，三电极体系(Ag/AgCl参比、Pt对极、修饰GCE工作)。食品样品(大米、小麦、大麦)经4 M NaOH高温水解释放蛋白结合Trp后过滤稀释，采用标准加入法测定并做HPLC比对验证。

研究结果

3.1. The structural and morphological characterization of Au NCFs/MXene

FT-IR显示MXene特征峰(O-H、C=O、C-F、Ti-O)在复合后发生峰形微移，证实Au NCFs与MXene纳米片间存在静电相互作用。FE-SEM表明Au NCFs呈典型菜花状、粒径约250 nm，成功锚定于MXene片层表面；MXene的大比表面积为Au NCFs提供高密度负载位点。EDS元素面扫证实C、Ti、Au元素均匀分布于复合材料中。

3.2. Electrochemical characterization of prepared electrochemical aptasensor

EIS Nyquist图高频区半圆直径对应电荷转移电阻(R_ct)：裸GCE为0.35 kΩ，修饰Au NCFs后降至0.31 kΩ，再修饰Au NCFs/MXene后进一步降至0.09 kΩ，证明复合材料显著提升导电性；固定适配体(绝缘+静电排斥)使R_ct升至0.53 kΩ，MCE封闭后至0.61 kΩ，与1.00 pM Trp孵育形成Trp-适配体复合物产生空间与静电阻碍使R_ct增至0.90 kΩ，证实层层组装成功。CV显示Au NCFs/MXene/GCE氧化还原峰电流(174 μA)高于裸GCE(98 μA)及Au NCFs/GCE(123 μA)，适配体及MCE固定、Trp结合后峰电流依次下降(78 μA→67 μA→53 μA)，与EIS互为印证。按Randles–?ev?ík方程算得电化学活性面积(electrochemically active surface area, ECSA)由裸GCE的0.055 cm²增至Au NCFs/MXene/GCE的0.123 cm²(约2.2倍)；非均相电子转移速率常数(k⁰)由裸GCE的2.7×10^-3cm/s提升至Au NCFs/MXene/GCE的4.8×10^-3cm/s，表明MXene与Au NCFs协同加速界面电荷转移。

3.3. Optimization of experimental conditions

以ΔR_ct为指标优化得：适配体最佳浓度6 μM(过高致分子间杂交使响应降)，最佳固定时间16 h，MCE封闭最优时间40 min，Trp孵育最佳时间45 min。

3.4. Analytical performance of the electrochemical aptasensor

在优化条件下，ΔR_ct与Trp浓度对数呈线性：ΔR_ct= 0.0744 log C_Trp(fM) + 0.0742（R²=0.997），线性动态范围(linear dynamic range, LDR)为0.10 fM～300 nM；按3S_b/m算得检出限(limit of detection, LOD)=0.03 fM。残差分析证实模型无加权偏差。与已报道Trp电化学传感器比，本传感器具更低LOD及更宽LDR。

3.5. Selectivity, stability, repeatability and reproducibility

100 pM常见氨基酸(酪氨酸、精氨酸、缬氨酸、丝氨酸、组氨酸、苏氨酸、蛋氨酸)及1 pM Trp单独与混合液测试显示，仅Trp引起显著R_ct变化，证明高选择性。同批制作5支传感器同日测1 pM Trp得相对标准偏差(relative standard deviation, RSD)=2.86%(重复性好)；5支独立制备传感器连续5天测1 fM、1 pM、1 nM Trp RSD分别为3.95%、3.87%、3.54%(重现性好)。4℃保存12天后响应仅下降4.44%，表明长期稳定性佳。

3.6. Real samples analysis

米、麦、大麦样品经碱解、标准加入法检测，加标回收率97.44%～103.38%，RSD＜4.21%；与HPLC法比对，t检验与F检验表明两法无显著性差异(p＞0.05)，证实传感器可用于复杂食品基质中Trp准确定量。

讨论与结论总结

研究人员得出结论：本研究通过简便化学还原法制备Au NCFs并与MXene复合，构建了Au NCFs/MXene修饰GCE的无标记阻抗型电化学适配体传感器用于Trp检测。MXene的大比表面积与金属级导电性协同Au NCFs多级结构提供高密度活性位点并通过Au–S键高效固定适配体，显著降低电荷转移电阻并加速电子传递；阻抗检测模式对超低浓度下界面电阻变化敏感。该适配体传感器对Trp具宽线性范围(0.10 fM～300 nM)、超低检出限(0.03 fM)、高选择性、良好重现性与12天以上稳定性，成功用于大米、小麦、大麦中Trp定量且结果与HPLC相符。此超灵敏特性允许对复杂食品样品大幅稀释以消除基质干扰，同时保持待测物于检测范围内，为食品营养成分分析与安全监测提供了可靠平台。