基于天线效应和局域表面等离子体共振的协同增强电化学发光适配体传感器用于氯霉素检测

《Talanta》：A Synergistically Enhanced Electrochemiluminescent Aptasensor Based on Antenna Effect and Localized Surface Plasmon Resonance for Chloramphenicol Assessment

　　

摘要

氯霉素（CAP）是牛奶中一种严重的抗生素残留物，对消费者构成健康风险，因此亟需探索具有极高响应性的诊断技术，如电化学发光（ECL）。基于镧系金属的配位聚合物因其固有的天线效应而展现出有前景的电化学发光性能，但其辐射衰减率低、非辐射跃迁概率高，从而限制了分析灵敏度。为克服上述缺点，本研究提出了一种双重增强策略，协同结合了铕卟啉配位聚合物（Eu-PCP）的固有天线效应与银纳米结构（Ag NPs）所触发的外源局域表面等离子体共振（LSPR）行为。其中，Ag NPs 衍生的 LSPR 增强了周围电磁环境，通过 Purcell 效应加速激发态 Eu-PCP 的辐射衰减，而天线效应则确保了向 Eu³⁺ 中心的能量转移效率。本研究合成了一种花状介孔 Eu-PCP，同时作为 ECL 发光体及适配体固定化基质。用互补 DNA（cDNA）功能化的 Ag NPs 与适配体杂交后，使 Ag NPs 与 Eu-PCP 紧密靠近，通过增强辐射衰减显著放大了 ECL 信号，实现了 5.2 倍的 ECL 强度提升。对于氯霉素（CAP）检测，该适体传感器展现出从 1×10^–15 到 1×10^–7 mol/L 的超宽线性范围，检测限低至 4.79×10^–16 mol/L，并具有优异的专一性、重现性和稳定性。本研究成功建立了一个用于监测食品中抗生素残留的可靠平台，同时为通过协同整合内源与外源增强机制来设计高性能 ECL 传感器提供了一种新范式。

引言

氯霉素（CAP）是一种用于对抗多种细菌威胁的兽用药物，具有广谱抗菌特性，广泛应用于食品动物。然而，CAP 残留物在畜牧产品（包括牛奶、水产品、肉类）中的持续存在对人类健康构成严重威胁，包括剂量依赖性的骨髓抑制、再生障碍性贫血及潜在的致癌性[1]、[2]。因此，CAP 在许多国家和地区已被严格禁用或受到严格的最高残留限量管控。对于 CAP 的筛查，传统方法通常采用高效液相色谱法（HPLC）[3]、液相色谱-串联质谱法（LC–MS/MS）[4]或酶联免疫吸附测定法（ELISA）[5]。尽管这些成熟方法在精密度和灵敏度方面表现良好，但通常需要昂贵的硬件系统、繁琐的样品前处理步骤以及专业人员操作，且不适合现场或实时监测[6]。因此，开发一种快速、灵敏、经济、易用的分析平台用于食品和环境中痕量 CAP 的检测仍是一项迫切需求。

电化学发光（ECL）作为一种强大的分析工具，凭借其独特的优势获得了广泛认可[7]。这些优势包括背景干扰极小、灵敏度优异、动态范围宽、出色的时空可控性以及仪器简约[8]、[9]。通过将电化学激发与化学发光检测相结合，ECL 尤其适合构建基于适配体的生物传感器[10]。在众多 ECL 发光体中，金属有机框架（MOFs）[11]、[12]、[13]和配位聚合物[14]因其可调控的结构、高孔隙率和多功能性而受到越来越多的关注。特别是基于镧系金属的配位聚合物[15]、[16]、[17]，如铕卟啉配位聚合物（Eu-PCP），通过所谓的"天线效应"展现出强烈的发光特性——有机配体吸收激发能量并高效地将其传递给中心 Eu³⁺ 离子，从而产生特征性强发光。然而，尽管具有这种固有的天线效应，原始 Eu-PCP 的 ECL 强度仍不足以用于超痕量分析[18]、[19]。Eu-PCP 低辐射衰减率和高非辐射跃迁概率导致信号输出受限，制约了其在高灵敏度检测中的实际应用[20]、[21]。因此，亟需一种有效的信号增强策略来克服这一缺陷并进一步提升 Eu-PCP 的 ECL 性能。

为有效提升发光物质的光学表现，利用贵金属纳米结构——特别是基于银的纳米颗粒（Ag NPs）——所驱动的局域表面等离子体共振（LSPR），已成为一种极为有效的方法[22]、[23]、[24]。当金属 LSPR 吸收带与发光中心的发射/激发波长发生显著光谱重叠时，发射体的量子产率和辐射衰减率会显著提升，这一现象被称为等离子体增强 ECL[25]、[26]。具体而言，这种增强的近场电磁环境在激发态物种周围产生了更高密度的局域光学态，通过 Purcell 效应加速其辐射退激发，从而在不改变非辐射路径的情况下放大 ECL 信号[27]、[28]。在 ECL 生物传感领域，LSPR 介导的信号增强已成功应用于提升多种检测平台的灵敏度。值得注意的是，增强效应表现出强烈的距离依赖性，通常在几个纳米的间隔厚度时达到最大值，这使得等离子体-发射体耦合效率可被精确调控[29]。这些独特特性使 LSPR 成为一种有前景的策略，可用于弥补固有弱发射体的信号不足，实现超灵敏生物分析[30]、[31]、[32]。

本文展示了一种用于 CAP 检测的新型双重增强 ECL 适体传感平台，该平台独特地融合了 Eu-PCP 的固有天线效应与 Ag NPs 的外源 LSPR 效应。通过溶剂热法合成了一种花状介孔 Eu-PCP，既作为 ECL 发光体，又作为适配体固定化基质。用互补 DNA（cDNA）功能化的 Ag NPs 被设计为与适配体杂交，使 Ag NPs 与 Eu-PCP 紧密靠近。Eu-PCP 与 Ag NPs 之间的距离通过适配体-cDNA 杂交体的长度精确控制，并进一步使用 PDDA/PSS 绝缘层进行调谐，以实现最佳 LSPR 增强效果。Ag NPs 的 LSPR 效应与 Eu-PCP 的天线效应共同作用，导致目标光学输出显著增强。当选择性捕获并结合 CAP 时，Ag NPs-cDNA 从传感界面解离，导致 ECL 响应降低，从而实现 CAP 的定量检测。在最优参数条件下，所开发的适体传感器展现出从 1×10^–15 到 1×10^–7 mol/L 的超宽线性范围，检测下限为 4.79×10^–16 mol/L，并具有优异的专一性、重现性和长期储存稳定性。此外，该传感器在水和牛奶基质中对 CAP 的检测也表现良好，回收率在 91.10%~104% 之间。本研究不仅提供了一个用于痕量抗生素监测的可靠平台，还为通过协同整合内源与外源增强机制构建高性能 ECL 传感器提供了一种新方法。

章节摘要

Ag NPs 的制备

银纳米颗粒（Ag NPs）采用基于先前文献[33]的改良方案制备。首先，将 20 mL 乙二醇（EG）在 160°C 下进行热预处理 60 分钟。随后，将含有 10 mL 乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和硝酸银的溶液逐滴滴入反应器中。待还原反应完成后，将最终分散液自然冷却至室温，收集所需 Ag NPs。

Eu-PCP 的制备

首先，将 9.6 mg 的 TCPP

材料表征分析

使用扫描电子显微镜（SEM）对 Ag NPs 和 Eu-PCP 的表面形貌进行了考察。图 1A 显示 Ag NPs 呈均匀的球形，尺寸约为 50 nm，分散性良好。Eu-PCP 的形貌在图 1B~1D 中以逐步放大的方式呈现，可见其为由纳米片组成的花状聚集体，直径接近 1 μm，表面粗糙，存在大量孔隙。Eu-PCP 框架内的元素空间分布

结论

本研究成功构建了一个高性能 ECL 适体传感平台，用于氯霉素（CAP）的精准定量，利用了银纳米结构（Ag NPs）所提供的等离子体耦合效应。通过溶剂热法获得的 Eu-PCP 发光框架具有介孔花状拓扑结构，表现出优异的电化学性能和结晶度，从而为适配体接枝提供了充足的锚定位点。

CRediT 作者贡献声明

杜晓姣： 撰写——审阅与编辑，调查。王文昌： 撰写——审阅与编辑，形式化分析。陈致东： 监督，资金支持，数据管理。周宇洋： 撰写——审阅与编辑，形式化分析。赵子宇： 撰写——初稿。吴雨琪： 撰写——审阅与编辑，验证，形式化分析。单学玲： 撰写——审阅与编辑，项目管理，方法论，概念构思。姜丁： 撰写——审阅与编辑，调查。

利益冲突声明

作者声明，不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本文所报告的工作产生影响。

数据可用性

本研究使用的数据和材料可在合理请求下向通讯作者获取。

利益竞争声明

√ 作者声明，不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本文所报告的工作产生影响。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（资助编号 22378029）的资助，并得到电解铜箔工程技术研究中心（常州大学）的支持。感谢 eceshi（www.eceshi.com）进行的光致发光（PL）光谱分析。

赵子宇 | 单学玲 | 吴雨琪 | 姜丁 | 王文昌 | 杜晓姣 | 周宇洋 | 陈致东