基于NiCo2O4作为析氧反应催化剂和cu@WO3作为淬灭剂的CA-125电化学发光免疫传感平台的开发

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Development of CA-125 electrochemiluminescence immunosensing platform based on using NiCo 2O 4 as the oxygen evolution reaction catalyst and cu@WO 3 as quencher

　　

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  通过水热法制备了NiCo₂O₄，并将其用作氧还原反应电催化剂。
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  NiCo₂O₄–450催化剂在促进水氧化生成活性氧物种方面表现出优异的性能，这有助于增强鲁米诺/H₂O体系的化学发光信号。
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  Cu@WO₃纳米复合材料被用作共振能量转移受体，以抑制鲁米诺的发光信号。
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  利用NiCo₂O₄–450催化剂对鲁米诺/H₂O化学发光体系的促进作用，开发出一种用于检测CA-125的免疫传感平台。

引言

卵巢癌是妇科恶性肿瘤导致死亡的主要原因[1]。由于其在早期阶段的症状并不典型，因此寻找可用于卵巢癌早期筛查和诊断的生物标志物一直是国内外研究的重要方向。碳水化合物抗原125（CA 125）是一种重要的血清生物标志物，已被广泛用于卵巢癌的早期诊断以及后续治疗效果的监测[2]、[3]。目前，已有多种检测CA 125的方法被报道，包括荧光共振能量转移技术[4]、酶联免疫吸附试验[5]以及表面等离子体共振技术[6]。尽管这些方法应用较为广泛，但它们存在底物不稳定、分析时间长以及仪器复杂等缺点，因此人们仍然迫切需要低成本、快速检测的技术，以便更早、更灵敏地检测CA 125。

电化学发光技术因其成本低、信号响应可控且分析灵敏度高等优点，被广泛用于疾病生物标志物的检测[8]。在电化学发光体系中，发光剂在信号产生过程中起着核心作用。常见的电化学发光发光剂包括Ru(bpy)₃²⁺、鲁米诺、金属有机框架以及金属纳米团簇[9]。其中，鲁米诺因其较低的激发能和较高的量子产率而被广泛用作电化学发光发光剂。在传统的基于鲁米诺的电化学发光体系中，通常会引入过氧化氢（H₂O₂）或溶解氧（O₂）作为辅助反应物，从而在电化学过程中促使活性氧物种的产生。这些活性氧物种能够促进鲁米诺的氧化，进而增强电化学发光信号[10]、[11]。鲁米诺的辅助反应物电化学发光机制通常认为涉及鲁米诺的电化学氧化以及辅助反应物的分解，从而产生活性氧物种。随后，生成的鲁米诺阴离子中间体与由辅助反应物产生的活性氧物种发生反应，最终产生强烈的电化学发光信号[12]。由于电化学发光反应通常在溶液体系中进行，而O₂的浓度较低且稳定性较差，同时H₂O₂还具有自发分解的趋势，这些都限制了它们作为传统辅助反应物的实际应用效果。因此，迫切需要为鲁米诺电化学发光体系寻找新型的、能够高效稳定地产生活性氧物种的辅助反应物。

作为水分解的半反应，氧析出反应通常发生在阳极上，通过电化学氧化将水分子转化为氧气。这一反应通常涉及多个电子转移步骤以及反应中间体的转化，因此其反应动力学本身就较为缓慢[13]。与传统的H₂O₂或溶解氧作为辅助反应物相比，使用水作为新兴的辅助反应物具有明显优势[14]。目前，氧析出反应缓慢的反应动力学仍是限制水氧化效率的主要瓶颈。因此，开发高活性的水氧化催化剂对于在鲁米诺/H₂O体系中获得高效的电化学发光响应至关重要。例如，赵等人[15]合成了Co₃O₄/NiCo₂O₄双壳纳米盒异质结构，这是一种具有较大比表面积和高氧析出反应活性的空心多金属氧化物，他们还利用该结构作为辅助反应物加速剂，构建了一种用于检测甲胎蛋白的电化学发光生物传感器。Xi等人[16]则使用了钴铁层状双氢氧化物作为辅助反应物加速剂。实验结果表明，钴铁层状双氢氧化物能够通过氧析出反应促进活性氧物种的有效生成，从而使鲁米诺的电化学发光信号显著增强。

过渡金属氧化物因其多样的物理化学性质以及可高度调控的电子结构，被视为水氧化催化领域的极具潜力的候选材料[17]。尤其是尖晶石氧化物，在多种电催化反应中都展现出了出色的催化活性[18]、[19]。尖晶石氧化物的一般化学式为AB₂O₄，其中A位点和B位点分别由不同的过渡金属阳离子占据。由于其成本低、毒性低、成分可调控且结构灵活，尖晶石氧化物在催化应用方面具有巨大潜力[20]。此外，通过合成方法和制备工艺，还可以轻松调节它们的纳米结构和形态，从而进一步调控其催化性能[21]。

在本研究中，以六水合硝酸钴和六水合硝酸镍为原料制备了镍钴双金属氧化物（NiCo₂O₄），并将其作为模型氧析出反应电催化剂。该催化剂能够有效促进水氧化并生成大量活性氧物种，进而增强了鲁米诺的电化学发光响应。值得注意的是，本研究选择了掺铜的三氧化钨（Cu@WO₃）纳米复合材料作为淬灭探针，用以将鲁米诺/H₂O体系的电化学发光信号调节到适当水平，从而检测分析物浓度中的微小变化[22]。由于鲁米诺的电化学发光信号与WO₃的紫外-可见吸收光谱存在良好的重叠，因此可以利用Cu@WO₃通过共振能量转移吸收鲁米诺/H₂O体系产生的光。

基于以上考虑，本研究开发了一种基于淬灭效应的用于检测CA-125的电化学发光免疫传感器。首先，通过修饰基质使NiCo₂O₄发挥作用，得益于该催化剂优异的氧析出反应催化活性，鲁米诺/H₂O体系能够产生强烈的电化学发光信号。随后，组装金纳米颗粒用于捕获CA-125的初级抗体（Ab₁）。之后，将经过功能化处理的Cu@WO₃（Cu@WO₃-Au NPs）固定下来，通过金单键与CA-125的二级抗体（Ab₂）相连。当CA-125抗原与这些抗体结合形成夹心结构时，Cu@WO₃会通过共振能量转移有效淬灭鲁米诺/H₂O体系的电化学发光信号，从而实现对CA-125的灵敏检测。这项工作为在鲁米诺电化学发光体系中开发新型辅助反应物提供了新的思路。

章节要点

NiCo₂O₄的制备

NiCo₂O₄是通过水热法制备的[23]。通常，先将1?mmol的Ni(NO₃)₂·6H₂O和2?mmol的Co(NO₃)₂·6H₂O完全溶解在30?mL去离子水中，搅拌30分钟。然后在磁力搅拌下依次加入12?mmol的C₆H₁₂N₄和6?mmol的NH₄F，继续搅拌1小时。将上述溶液置于100?mL的聚四氟乙烯内衬高压反应釜中，加热至120?°C反应6小时。冷却后，收集产物并用乙醇清洗，随后

NiCo₂O₄的表征

通过扫描电子显微镜观察了NiCo₂O₄催化剂的形态。如图S1AD所示，这些样品呈现出类似花朵的三维结构，由许多相互交织的纳米片组成，其平均直径约为5?μm。为了分析NiCo₂O₄样品的物相组成和晶体结构，还进行了X射线衍射分析。图1A中的X射线衍射图在2θ值为18.9°、30.9°、36.7°、44.5°、58.6°和64.6°处出现了明显的峰，这些峰对应于

结论

在本研究中，通过将NiCo₂O₄作为氧析出反应催化剂，并结合基于Cu@WO₃的共振能量转移策略，构建了一种用于检测CA 125的淬灭型电化学发光免疫传感器。NiCo₂O₄催化剂能够有效促进水氧化，生成活性氧物种，从而显著增强鲁米诺的电化学发光信号。与此同时，Cu@WO₃则作为能量受体，通过共振能量转移机制淬灭鲁米诺的电化学发光信号，进而实现对CA 125的灵敏检测。该免疫传感器具有较宽的线性检测范围（0.001–50?U/mL），且检测限较低

作者贡献说明

郭一莫：论文撰写——初稿撰写、正式分析、数据整理。刘志民：论文撰写——审阅与编辑、项目管理、资金申请。侯万尔：实验研究、数据整理。何欣欣：正式分析。李亚欣：资金申请、数据整理。胡乐倩：软件应用、正式分析。

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明，他们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（编号：22305068）、河南省自然科学基金（编号：222300420426）以及河南工业大学拓新团队培养计划（编号：2025TXTD04）的资助。

郭一莫|刘志民|侯万尔|何欣欣|李亚欣|胡乐倩