MOF@Pt-AuPt等离子体支架可实现针对帕金森病诊断的GPNMB超灵敏光纤SPR生物传感

《Biosensors and Bioelectronics》：MOF@Pt-AuPt plasmonic scaffold enables ultrasensitive fiber-optic SPR biosensing of GPNMB toward Parkinson's disease diagnosis

　　

摘要

糖蛋白非转移性黑色素瘤蛋白B（GPNMB）是帕金森病的生物标志物，但在临床样本中仅以微量存在，这为疾病的早期诊断带来了极大困难。本研究开发了一种基于MOF@Pt-AuPt等离子体支架的光纤表面等离子体共振传感器，用于高灵敏度检测GPNMB。在二维卟啉铜-TCPP MOF表面原位生长铂纳米颗粒，可形成肖特基势垒，使光学带隙从2.53电子伏特缩小到2.38电子伏特，从而促进光生电荷分离。随后通过静电作用组装Au@Pt核壳结构，形成密集的局域表面等离子体共振“热点”，这些热点能与金膜上的表面等离子体波强烈耦合，有限差分时域模拟表明界面电场强度从3.29升高到11.5（任意单位）。该传感器具有出色的折射率检测性能，灵敏度可达3768.64纳米/RIU，相比传统镀金光纤提高了131.99%。在检测GPNMB方面，该传感器的检测下限低至0.06皮克/毫升，灵敏度提升了七倍以上。此外，该传感器还能准确区分帕金森病患者与健康人群，同时具备优异的亲水性、抗污染能力和选择性。这一方法为帕金森病的早期诊断提供了一种实用且多功能的检测策略。

引言

帕金森病是第二常见的神经退行性疾病（Bloem等人，2021；Cao等人，2025），由于人口老龄化及环境变化，其发病率持续上升。预计到2050年，全球帕金森病患病率将翻一番（Luo等人，2025；Su等人，2025），给医疗系统带来沉重的经济负担。目前，帕金森病的临床诊断主要依赖于对震颤、肌强直和运动迟缓等运动症状的评估（Jiang等人，2025；Yadav等人，2025）。然而，当这些典型症状出现时，大脑中已有50%-60%的多巴胺能神经元发生不可逆损伤（Hustad和Aasly，2020）。尽管运动障碍学会制定了详细的诊断标准，但这一过程仍高度依赖临床医生的经验，且很难将早期帕金森病与包括进行性核上性麻痹和多系统萎缩在内的非典型帕金森综合征区分开来（Postuma等人，2015）。这种诊断延迟（Bayen等人，2025）以及较高的误诊率（Rizzo等人，2016）导致患者错过早期干预的关键时机。因此，开发能够在帕金森病前驱期或早期实现精准检测的客观分子生物标志物检测方法，对于监测疾病进展、及时开展神经保护治疗以及改善患者预后至关重要（da Silva等人，2025）。

糖蛋白非转移性黑色素瘤蛋白B（GPNMB）（Diaz-Ortiz等人，2022）作为一种源自血液和脑脊液的帕金森病潜在生物标志物，近年来受到了广泛关注（Galleguillos等人，2022）。越来越多的证据表明，GPNMB不仅与帕金森病的发病风险存在遗传关联，还会与帕金森病的关键病理蛋白α-突触核蛋白发生功能相互作用（L. Z. Li等人，2025），并参与溶酶体功能障碍和神经炎症过程。重要的是，帕金森病患者的血清和脑脊液中检测到了升高的GPNMB水平（Zhu等人，2024），这使其成为一种适用于微创诊断检测的理想候选物质。不过，目前仍存在一个关键问题：随着病情的发展，血浆中的GPNMB水平会上升，但在疾病早期仍仅为微量，因此需要高度敏感的检测方法才能实现可靠检测。

迄今为止，已有多种方法被用于检测GPNMB，包括ELISA、免疫组织化学、西方印迹法和电化学生物传感器。然而，传统的ELISA方法难以达到检测早期帕金森病血清中微量GPNMB所需的灵敏度（Zhu等人，2024）。免疫组织化学方法需要组织切片，无法用于液体样本检测（Li和Matoso，2025）。西方印迹法耗时且操作繁琐，且仅为半定量分析（Molaabasi等人，2026）。电化学传感器则存在信号稳定性差、在血清中容易发生电极污染的问题，通常还需要使用标记探针（Y. Wang等人，2024）。鉴于这些局限性，亟需一种灵敏度高、无需标记且具备抗污染功能的检测平台，用于基于GPNMB的帕金森病诊断。

表面等离子体共振技术（Springer等人，2025），尤其是其光纤形式（FO-SPR）（Qu等人，2022），为下一代生物传感器提供了诸多优势，能够实时监测结合反应，无需标记步骤，还能对传感器界面处折射率的变化具有更高的灵敏度（Vandezande等人，2024）。然而，基于纯金膜的常规FO-SPR传感器在应用于血清等复杂生物基质时，由于衰减场的增强效果较弱以及非特异性蛋白质吸附的问题，其灵敏度较低（Zhang等人，2025），抗污染性能也较差（Hasler等人，2023）。为克服这些缺陷，人们将各种等离子体纳米结构以及包括金属有机框架在内的二维纳米材料整合到了FO-SPR传感器中（Jyoti等人，2025）。不过，大多数现有的基于MOF的SPR改良方案仍面临两个关键问题：一是由于缺乏有效的异质结，光生电荷分离效果不佳（Li等人，2023；Liu等人，2024）；二是局域表面等离子体与传播表面等离子体之间的耦合较弱，这些因素共同限制了传感器灵敏度的进一步提升（Gao等人，2024）。

为解决上述问题，我们通过原位还原 followed by 电静力自组装的方法，在光纤SPR传感器上构建了一种分层等离子体支架。具体而言，首先在二维卟啉铜-TCPP MOF纳米片表面原位生长铂纳米颗粒，得到MOF@Pt结构。随后用聚乙烯亚胺对MOF@Pt进行功能化处理，使其带有正电荷。接着，带负电荷的Au@Pt核壳纳米颗粒通过电静力作用组装在MOF@Pt表面，形成所谓的MOF@Pt-AuPt卫星阵列结构（图1A）。最后，将制备好的MOF@Pt-AuPt复合材料固定在镀金光纤表面，作为检测GPNMB的传感界面（图1B）。这种合理的设计旨在实现两种协同效应：其一，MOF/Pt界面形成的肖特基势垒有望缩小光学带隙，促进光生电荷分离；其二，Au@Pt卫星结构能够产生密集的局域表面等离子体“热点”，这些热点能与金膜上的传播表面等离子体波强烈耦合，从而增强界面电磁场强度，提高传感器对微小折射率变化的响应能力。这项工作为构建高性能等离子体传感界面、实现帕金森病的早期诊断提供了一种新的方法。

章节节选

MOF@Pt-AuPt的合成与表征

试剂和仪器的相关信息见补充资料中的S1.1部分。

光纤预处理

该多模光纤（型号HF400/430-37）购自中国北京的北京菲斯塔科技有限责任公司。使用钳子切除了长度为6毫米的纤维包层，露出作为传感区域的纤维芯。去除包层后，将该光纤依次在超纯水和丙酮中超声处理5分钟，之后用超纯水冲洗并放置5分钟让其干燥。经过预处理的

MOF@Pt-AuPt的合成与表征

为了实现高效的等离子体敏化效果，我们通过原位还原 followed by 电静力自组装的方法构建了一种三层结构的等离子体支架——MOF@Pt-AuPt（图1A）。首先，铂纳米颗粒在二维MOF纳米片表面原位生长，形成MOF@Pt结构。经过聚乙烯亚胺功能化处理后（Li等人，2020），MOF@Pt表面带上了正电荷。随后，带负电荷的Au@Pt核壳结构通过电静力作用组装在MOF@Pt表面，

结论

在本研究中，我们基于原位还原和电静力介导的自组装原理，成功合成了MOF@Pt-AuPt复合纳米材料，并利用它构建了一种高性能的光纤SPR传感器，用于检测帕金森病的生物标志物GPNMB。通过透射电子显微镜、紫外-可见光谱和UPS等分析方法对所得材料进行了全面表征，结果证实铂纳米颗粒在二维MOF纳米片上均匀生长，且形成了Au@Pt核壳结构的卫星阵列形态

CRediT作者贡献说明

刘兆飞：概念构思、数据整理、正式分析、研究实施、方法设计、初稿撰写。徐晓辉：概念构思、研究实施、方法设计。李秀南：正式分析、研究实施、方法设计。Kwangnak Koh：指导监督、结果可视化、论文审阅与修改。陈红霞：资金筹集、项目管理、指导监督、论文审阅与修改。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：62475143）以及中国安徽省教育厅科研创新团队（项目编号：2023AH010072）的支持。

Zhaofei Liu|Xiaohui Xu|Xiunan Li|Kwangnak Koh|Hongxia Chen

上海大学生命科学学院，中国上海200444