Gd3+诱导的NiAl-LDH/f-MWCNT异质结构中的电子调控，实现了对临床样本中与乳腺癌相关的代谢物腺苷的超灵敏无线检测

《Talanta》：Gd3+-Induced Electronic Modulation in NiAl-LDH/f-MWCNT Heterostructures Enables Ultrasensitive Wireless Detection of Adenosine, a Breast Cancer-Associated Metabolite, in Clinical Samples.

　　

摘要

为寻求无创的癌症早期诊断方法并提升全球健康水平，我们报道了一种基于掺钆的NiAl-LDH并与f-MWCNT结合的敏感电化学传感器，可用于检测与乳腺癌进展相关的生物标志物腺苷。在NiAl-LDH中过量掺杂钆会导致结构扭曲，这一现象可通过XRD图中2θ值降低、HR-TEM中晶格间距增大以及XPS中结合能降低体现出来。这种_1%Gd-NiAl LDH/f-MWCNT复合材料在SPCE上具有多个电活性位点，能够促进电子转移，从而展现出出色的氧化性能和响应速度。在该传感器中，检测下限可达到13 nM，线性范围为(0.05-67.7 μM)，且稳定性优异。通过DPV实验，该传感器在经预处理的生物样本中展现了良好的分析性能，其微型化、便携式的设计为其未来在临床诊断中的应用奠定了概念性基础。这一平台有望推动早期癌症诊断及精准治疗的快速发展。

引言

2022年，全球新增乳腺癌病例达231万例，成为第二大常见癌症。在157个国家中的112个国家里，乳腺癌占所有癌症诊断病例的11.6%，每年导致666,000人死亡。预计不久的将来，全球癌症病例还将增加3500万例。为此，世界卫生组织推出了全球乳腺癌倡议，旨在通过早期发现和全面治疗将乳腺癌死亡率降低2.5%[1]。传统上，乳腺癌的诊断依靠乳腺X光摄影、超声检查以及活检，但这些方法存在诸多缺陷，如存在辐射风险、分辨率不足，以及活检可能引发癌细胞转移等问题[2]、[3]。为克服这些限制，人们开始尝试利用生物标志物进行癌症的早期检测和预后评估，这类标志物可作为反映生理和病理过程的指标，用于诊断、预后判断以及无创检测[4]。这些生物标志物通常可分为四类：基因组学、转录组学、蛋白质组学以及代谢组学。在本研究中，我们选择了代谢组学领域的生物标志物进行电化学检测[5]。这类代谢物多为小分子（分子量≤1000 Da），可通过检测微生物群变化、组氨酸含量下降以及葡萄糖浓度上升等指标，为了解细胞活动提供即时信息[6]。具体而言，我们选择了腺苷，因为由于CD39和CD73基因的高表达，腺苷会在肿瘤微环境中异常积累[7]、[8]，进而促进促血管生成和免疫抑制信号的传递[7]。此外，腺苷还能抑制NK细胞和CD8+ T细胞的杀伤功能，同时增强调节性T细胞和巨噬细胞的活性，从而推动癌症生长、转移以及治疗抵抗，因此有望作为一种动态预后标志物[9]、[10]。由于乳腺癌患者的血浆腺苷浓度远高于健康人群，该物质也表现出作为乳腺癌电化学检测替代标志物的良好潜力。当前研究为开发可用于检测生物样本中腺苷的便携式无线传感设备提供了理论依据。

层状双氢氧化物由带正电荷的类水滑石羟基层构成，这些羟基层中的M(II)和M(III)金属离子呈八面体配位状态，层间则分布着各种阴离子，如OH^-和CO₃^2-。层状双氢氧化物中的金属八面体之间通过M-O-M氧桥相连[11]。通过不断增加钆离子（Gd³⁺）的掺杂比例，可以创造电子空位，从而提升材料的导电性，促进电子从4f态向5d态的转移[12]。在层状双氢氧化物中引入掺杂剂或缺陷，能够改善电荷传输效率、活性位点的催化性能以及电催化效果[13]。通常情况下，Gd³⁺是通过同构取代的方式进入层状双氢氧化物结构的[14]。在带正电荷的类水滑石层中，Gd³⁺会取代三价金属离子，如Al³⁺，偶尔也会取代二价金属离子，如Ni²⁺[15]。在层状双氢氧化物晶格中，Gd³⁺呈六配位状态，其周围环绕着来自类水滑石层八面体结构中的羟基。Gd³⁺的近邻配位圈中还可以包含层间阴离子，如CO₃^2-和水分子，以及其他具有高配位数的镧系金属离子[16]。Gd³⁺的存在会引入氧空位，导致晶格变形，并形成更为复杂的层状多孔结构，进而改变材料的结构和电学特性[13]。在针对Gd-NiFe-LDH材料的XPS分析中，发现镍和铁的结合能会发生波动，这说明电子发生了迁移，从而改变了过渡金属的电子状态[17]。在掺铽的层状双氢氧化物中，Cr 2p轨道的能级波动也会增加电子密度[18]。为进一步提升材料的导电性，人们还将掺杂后的层状双氢氧化物与f-MWCNT结合使用，后者可作为导电网络，负责捕获和传输电子。f-MWCNT会在掺钆的层状双氢氧化物颗粒周围形成导电网络[19]，同时还能增加活性位点的数量，提高电解质的可及性以及离子的迁移速率。这些特性都提升了复合材料的性能和实用价值[20]。

因此，我们推测，Gd-NiAl-LDH与f-MWCNT的复合材料能够在电子传输动力学、表面反应性以及对腺苷的分子识别能力方面产生协同效应，从而显著提升传感器在无创电化学检测乳腺癌生物标志物方面的灵敏度、选择性和稳定性[21]。此前已有研究表明，掺钆的层状双氢氧化物基复合材料具备优异的电催化性能，例如那些可用于检测硝呋妥因和多菌灵的复合材料，如Gd-doped LDHs以及GdFeO₃/RGO和GdO/GA-GCE等复合材料[22]。Gd³⁺对NiAl-LDH电子结构的调控，再加上f-MWCNT的高导电性，能够显著提升电荷传输效率以及界面吸附能力，从而使腺苷与经过改性的SPCE之间的电子交换更加高效。这就使得该传感器能够在真实的生物样本中实现超灵敏检测，且具有较宽的线性范围和较低的检测下限。

内容片段

材料

所用材料包括：98%纯度的Ni(NO₃)₂.6H₂O（CAS编号：13478-00-7）、Al(NO₃)₃.6H₂O、99.9%纯度的Gd(NO₃)₃.5H₂O（CAS编号：19598-90-4）、97%以上纯度的氢氧化钠（NaOH，CAS编号：1310-73-2）、纯度在98.0-100.5%之间的磷酸二氢钠（Na₂HPO₄，CAS编号：7782-85-6）、纯度在98.0-102.0%之间的磷酸二氢钾（NaH₂PO₄，CAS编号：10049-21-5）、99%以上纯度的氯化钾（KCl，CAS编号：7447-40-7），以及纯度≥99.5%的铁氰化钾（Fe(CN)₆^3-/4-，CAS编号：14459-95-1），还有纯度在95.0-98.0%之间的硫酸（H₂SO₄，CAS编号：7664-93-9）和盐酸。

物理化学性质分析

通过粉末X射线衍射分析，证实了水热法合成的_1%Gd-NiAl LDH/f-MWCNT复合材料中形成了类似水滑石的层状结构，相关结果如图1(A)所示。图中出现的特征峰对应于(003)、(006)和(110)等晶面，表明该材料属于具有R3m对称性的六方晶格结构。图1(A)展示了在掺入Gd³⁺后NiAl-LDH结构演变的全过程。

结论

综上所述，通过向NiAl LDH中掺入1%的Gd³⁺，再将其与功能化的多壁碳纳米管结合，显著提升了该传感器对腺苷的检测电化学性能。X射线衍射分析结果表明，NiAl LDH晶格能够容纳最多1%的Gd³⁺取代量。而当掺杂比例超过2.5%时，晶格会出现扭曲，结晶度下降，同时还会有与Gd₂O₃相关的相态生成。该传感器不仅

作者贡献说明

Mani Govindasamy：负责可视化处理、结果验证、实验监督、资源协调、项目管理以及资金筹措工作。Sindhuja Kotteeswaran：负责论文的撰写与修改、原始草稿的编写、可视化处理、结果验证、方法设计、实验实施、数据分析、概念构思等工作。

利益冲突声明

所有作者均声明不存在任何利益冲突。

数据可用性

相关数据将在有需求时予以提供。

利益冲突声明

?所有作者均声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

?部分作者存在以下可能被视为利益冲突的财务利益或个人关系。

致谢

致谢

我们要感谢台湾新北市明志科技大学的“研究人员支援计划”（项目编号：VL006-AG00-114）对本文研究的支持。

Sindhuja Kotteeswaran|Mani Govindasamy

台湾新北市243303，明志科技大学，生物医学工程与医疗设备创新技术国际博士项目