基于 Fe-MOFs/rGO/AuNPs 三元纳米复合材料的无标记竞争性电化学免疫传感器用于 Hg2+ 的灵敏检测

《Microchemical Journal》：Label-free competitive electrochemical immunosensor based on Fe-MOFs/rGO/AuNPs ternary nanocomposite for sensitive Hg2+ detection

　　

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  制备了一种 Fe-MOFs/rGO/Au 三元复合材料，并用于构建用于检测 Hg²⁺ 的竞争性电化学免疫传感器。
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  多孔导电杂化材料加速了质量传递，并提供了丰富的抗体结合位点。
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  建立的免疫传感器对 Hg²⁺ 表现出两个线性范围：0.05–200 和 250–2500 nM。
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  建立的免疫传感器显示出特异性选择性和 0.075 nM 的低检出限 (LOD)。
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  该传感平台显示出在环境重金属监测方面的巨大潜力。

引言

毒性重金属离子难以生物降解，且易于在水环境和土壤中生物富集，从而对生态系统和人类健康构成巨大风险 [1]。在各种重金属中，汞离子 (Hg²⁺) 作为最危险的金属污染物之一，由于其高神经毒性和肾毒性，会对中枢神经系统和免疫系统造成严重损害。即使在痕量水平下，Hg²⁺ 也会沿食物链积累并引发呼吸功能障碍、神经退行性疾病和致癌等严重的不良后果 [2], [3], [4]。为了减轻这些风险，官方机构已制定了饮用水中 Hg²⁺ 的严格浓度阈值。例如，美国环境保护署 (EPA) 设定的最大允许浓度为 10 nmol/L [5]，而欧盟规定限值值为 1 μg/L [6]。因此，开发一种简便、快速、超灵敏和高特异性的分析方法，用于环境水样中痕量 Hg²⁺ 的测定，对于保护生态环境和人类健康具有重要意义。

已开发了多种分析方法来检测 Hg²⁺，包括原子吸收光谱法 [7], [8]、原子发射光谱法 [9], [10]、液相色谱 - 电感耦合等离子体质谱法 [11]、拉曼光谱法 [12] 和荧光光谱法 [13], [14]。尽管这些方法提供了相对较高的准确性，但它们仍有一些局限性，如成本高和样品制备复杂。为了克服这些局限性，电化学免疫传感器作为一种有前景且强大的分析工具脱颖而出，因为它们具有固有的高灵敏度、快速响应、便携性和低成本 [15], [16], [17]。为了利用抗原 - 抗体相互作用的高度特异性结合亲和力来增强分析物的检测特异性，这些电化学传感器可以将生物识别过程转化为可测量的电信号，从而实现对分析物的靶向检测 [18], [19], [20]。然而，它们的灵敏度和信号稳定性与电极表面的结构和物理化学性质密切相关。整合先进功能纳米材料以促进电子转移并增加抗体负载是增强传感性能的关键策略。

金属 - 有机框架 (MOFs) 是一类由金属节点和有机连接体组装而成的多孔晶体材料，由于其优异的孔隙率、大的比表面积和可调节的结构，已广泛用于电化学传感 [21], [22]。然而，许多纯 MOFs 固有的电导率差限制了它们在直接电化学中的应用。为了解决这个问题，MOFs 通常与碳基纳米材料（如还原氧化石墨烯 (rGO)）结合，以形成导电网络并提高结构稳定性 [23]。例如，Xing 等人开发了一种基于 Cu-MOF/氧化石墨烯复合材料的无标记免疫传感器，用于检测甲基茉莉酮酸酯，其中 MOFs 作为内部氧化还原信号，以避免需要外部信号物质 [24]。类似地，Huang 等人使用 Ag-MOF/GO 纳米复合材料实现了对癌胚抗原 (CEA) 的灵敏检测 [25]。尽管这两种双组分系统提供了有效的策略，但引入第三功能元件，如贵金属纳米粒子，可以通过提供更有效的电子转移和生物分子的稳定结合位点来进一步改善界面性质。

在这项工作中，我们开发了一种基于铁基金属有机框架/还原氧化石墨烯/金纳米粒子 (Fe-MOFs/rGO/AuNPs) 三元纳米复合材料的灵敏、无标记竞争性电化学免疫传感器，用于 Hg²⁺ 检测。Hg²⁺ 半抗原和抗体是根据我们已发表的方法合成的 [26]，其中双功能配体 (6-巯基烟酸) 与 CH₃Hg 和牛血清白蛋白 (BSA) 偶联形成免疫原。针对 Hg²⁺ 的单克隆抗体 (mAbs) 通过杂交瘤技术成功制备。此外，通过间接竞争酶联免疫吸附测定 (ELISA) 充分验证了抗原 - 抗体的结合性能和特异性。在此，Fe-MOFs/rGO 材料是通过水热法制备的，这提高了电导率并增加了电极的活性表面积。此外，金纳米粒子 (AuNPs) 被共价偶联到 Fe-MOFs/rGO 上，形成 Fe-MOFs/rGO/AuNPs 复合材料。这种三元纳米复合材料不仅为 Hg²⁺ 抗体的稳定固定提供了生物相容性环境，还表现出放大电化学信号的协同效应。在这种无标记竞争性电化学免疫传感器中，样品中的游离 Hg²⁺ 与 Fe-MOFs/rGO/AuNPs 修饰电极上固定化的有限抗体结合位点之间的 Hg²⁺ 抗原发生竞争性免疫反应。基于竞争性免疫反应的传感机制并通过差示脉冲伏安法 (DPV) 监测，实现了对 Hg²⁺ 的超灵敏定量，具有低检出限，为实际水样中的重金属分析提供了可靠的方法。

片段

材料与仪器

2-氨基对苯二甲酸、L-半胱氨酸、牛血清白蛋白 (BSA)、N,N-二甲基甲酰胺和 6-巯基烟酸 (MNA) 购自阿拉丁化学试剂公司 (中国上海)。HAuCl₄ 和 K₃[Fe(CN)₆] 购自国药集团化学试剂有限公司 (中国上海)。FeCl₃·6H₂O 和抗坏血酸购自迈克林生物化学有限公司 (上海)。本实验中抗原 (CH₃Hg-MNA-BSA) 和针对 Hg²⁺ 的抗体是自制的，如我们所述

表征

合成的 Fe-MOFs、Fe-MOFs/rGO 和 Fe-MOFs/rGO/AuNPs 的表面形貌分别通过 SEM、TEM、XRD 和 XPS 技术进行表征。图 1A 中观察到 Fe-MOFs 典型的八面体晶体形态，这与之前的报道一致 [27]。如图 1B 所示，发现八面体 Fe-MOFs 分布在薄层 rGO 上，而高密度附着的 Fe-MOFs 分散在 rGO 表面，提供了大的表面积。它是

结论

在这项工作中，成功制备了一种基于新型 Fe-MOFs/rGO/AuNPs 三元纳米复合材料的灵敏、无标记竞争性电化学免疫传感器，用于 Hg²⁺ 检测。rGO 和 Fe-MOFs 的合理整合构建了一个具有高导电支架和丰富的表面活性位点，同时有效地减轻了石墨烯纳米片的聚集。随后共价锚定 L-半胱氨酸介导的 AuNPs 进一步优化了电极界面性质，这

CRediT 作者贡献声明

Yu-Zhen Wang: 写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，调查，资金获取，概念化。 Xiao-Yue Kang: 写作 – 原稿，调查，形式分析。 Ning-Na Shi: 写作 – 审阅与编辑。 Mao-Zhong Tian: 可视化。 Qi-Liang Pan: 验证。 Yun-Feng Bai: 监督，概念化。 Langxing Chen: 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，形式分析。

未引用参考

[30]

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能似乎影响了本论文中报告的工作。

致谢

这项研究得到了 山西省自然科学基金 (No. 201901D211436)、山西省高等学校科技创新项目 (No. 2019L0758)、山西省教育改革项目 (No. 2021YJJG305) 和 山西大同大学科研项目 (No. 2022K5) 的支持。

Yu-Zhen Wang|Xiao-Yue Kang|Ning-Na Shi|Mao-Zhong Tian|Qi-Liang Pan|Yun-Feng Bai|Langxing Chen