一种基于双金属Fe-Mg金属有机框架的电化学适配体传感器，用于在汗液中灵敏且选择性地检测皮质醇

《Inorganic Chemistry Communications》：A bimetallic Fe-Mg metal-organic framework-based electrochemical aptasensor for sensitive and selective cortisol detection in sweat

　　摘要
在本研究中，我们报道了一种新型电化学适配体传感器，用于在人工汗液中敏感且选择性地检测皮质醇。该传感器以改性了金纳米粒子（AuNPs）的双金属Fe-Mg金属有机框架（Fe-Mg MOF）作为传感平台。Fe-Mg MOF通过溶胶热法合成，与单金属MOFs相比，表现出更强的过氧化物酶模拟活性、更高的导电性以及更好的适配体固定能力。皮质醇适配体通过AuS键合固定在AuNPs/Fe-Mg MOF改性的丝印碳电极（SPCE）上。在皮质醇存在下，适配体-皮质醇复合物的形成会阻塞Fe-Mg MOF的催化位点，导致H2O2氧化氢醌（HQ）的峰值电流降低。在选定的实验条件下，该适配体传感器的线性检测范围为0.1–250 ng/mL，检测限（LOD）为0.28 ng/mL（信噪比（S/N）= 3）。该传感器对常见的汗液干扰物质表现出优异的选择性，重复性（RSD）为2.27%，再现性（RSD）为1.47%。在人工汗液样本中成功检测到皮质醇，回收率在95.1%到106.5%之间，证实了其实际应用潜力。这项工作为非侵入性、高灵敏度的皮质醇检测提供了一种有前景的策略，适用于潜在的即时检测和个性化健康管理应用。

引言
皮质醇是一种由肾上腺皮质在下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴调节下分泌的糖皮质激素，作为身体应激反应、代谢调节、免疫功能以及昼夜节律维持的核心介质[1][2][3]。维持最佳的皮质醇水平对人类健康至关重要。急性升高有助于适应性应激反应，而慢性失调（无论是过度分泌的库欣综合征还是分泌不足的艾迪生病）都与多种病理状况相关，包括焦虑障碍、抑郁症、代谢综合征、心血管疾病和认知障碍[4][5][6][7]。因此，准确和实时监测皮质醇水平不仅对于理解其生理和病理作用至关重要，还为应激相关疾病的管理和治疗评估提供了重要的诊断信息。
传统的皮质醇检测方法，包括酶联免疫吸附测定（ELISA）、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）和放射免疫测定（RIA），主要基于实验室环境，并需要血液、唾液或尿液样本[8][9][10]。尽管这些技术具有高灵敏度和准确性，但它们存在固有的局限性，如侵入性（需要静脉采血）、分析时间较长（ELISA通常需要3–6小时）、成本较高、需要专业人员以及缺乏实时监测能力。这些缺点严重限制了它们在连续、非侵入性和便捷的日常皮质醇监测中的应用，尤其是在需要动态追踪个体应激水平或长期管理慢性疾病的情况下[11][12]。汗液由于其丰富的生理信息储备、易于连续采集、汗液与血液生物标志物浓度之间的强相关性以及与可穿戴设备的兼容性，已成为理想的非侵入性生物流体用于皮质醇监测[13][14]。最近在可穿戴传感技术方面的进展使得各种基于汗液的皮质醇传感器得以开发，包括电化学方法、光学传感器、分子印迹聚合物和场效应晶体管[1][15][16][17]。其中，电化学适配体传感器因其高灵敏度和选择性、快速响应、低成本、易于微型化以及与柔性可穿戴平台的兼容性而受到广泛关注[18][19][20]。
电化学皮质醇传感平台已从传统分析电极快速发展为微型化和可穿戴生物传感系统。根据分子识别策略，电化学皮质醇传感器主要可以分为免疫传感器、基于分子印迹聚合物（MIP）的传感器、基于适配体的传感器和基于场效应晶体管（FET）的传感器[21][22]。免疫传感器通过抗原-抗体识别提供出色的特异性；然而，它们的实际应用受到抗体不稳定性的限制、制备过程复杂以及存储要求严格。基于MIP的传感器表现出出色的化学稳定性和较低的制造成本，但构建高度特异性的识别腔体和优化结合动力学仍然具有挑战性。相比之下，基于适配体的电化学传感器具有高亲和力、良好的化学稳定性、易于功能化以及与柔性传感平台的兼容性等优势。最近，可穿戴电化学皮质醇传感器在非侵入性应激监测中受到了越来越多的关注[21]。例如，开发了一种集成了适配体的导电微针生物传感器用于实时经皮皮质醇监测，而基于MXene@Au纳米粒子的可穿戴电化学适配体传感器在汗液中实现了对皮质醇的敏感检测[23][24]。这些研究展示了电化学适配体在个性化健康管理中的潜力；然而，提高信号放大能力、电子传输效率和抗干扰性能仍然是汗液中皮质醇检测的主要挑战。
电化学适配体的性能从根本上取决于传感界面的合理设计。理想的电极修饰材料应具备：(i) 高比表面积以实现高效的适配体加载；(ii) 优异的导电性以进行信号传输；(iii) 良好的生物相容性以保持适配体的生物活性；(iv) 与适配体尺寸匹配的适当孔径；(v) 用于信号放大的催化活性。金属有机框架（MOFs）由金属离子/簇和有机连接剂构成，由于其出色的孔隙率、可调结构和丰富的活性位点，已成为电化学传感的有希望的候选材料[25][26]。然而，单金属MOFs通常导电性有限且催化活性不佳，这限制了它们的传感性能。近年来，基于MOF的传感平台已从被动吸附材料快速发展为集成催化放大、电子传输调控和分子识别等多功能传感架构[27]。先进的MOF设计，包括双金属MOFs、缺陷工程MOFs和MOF衍生的纳米结构，通过优化电子结构和增加可访问的活性位点，展示了增强的电化学传感性能[28]。这些发展突出了合理设计金属中心和框架调节对于构建高性能电化学传感界面的重要性[29]。双金属MOFs在框架中结合了两种不同的金属离子，由于其协同电子效应、改进的氧化还原活性和增加的结构稳定性，最近显示出比单金属MOFs更强的物理化学性能[30][31][32][33]。刘等人[34]制备了一种高性能的FeCo双金属MOF与多壁碳纳米管（MWCNTs）复合材料，并开发了一种能够同时敏感检测Pb2+和Cd2+的电化学传感器。杨等人[35]基于TiCu双金属MOF构建了一种分子印迹电化学传感器，能够在无需抗体或复杂预处理的情况下高灵敏度、选择性地检测人体汗液中的皮质醇。这些发现验证了双金属MOFs在传感应用中的广阔前景。
在各种MOF材料中，基于Fe的MOFs作为皮质醇电化学适配体的电极修饰剂具有优越性。它们具有可调的孔隙结构和丰富的可访问活性位点，有助于皮质醇适配体的固定和高效的质量传输。得益于铁中心的固有氧化还原活性，Fe-MOFs表现出有利的催化活性并促进界面电子传输，从而有助于高效的信号传输[36][37]。同时，它们的温和化学环境确保了固定适配体的生物识别能力的优越生物相容性。Fe-MOFs的可调孔结构可以精确调整以匹配适配体链的尺寸[19]。最重要的是，它们固有的过氧化物酶模拟催化活性可以通过催化H2O2氧化氢醌来实现高效的信号放大，进一步提高了构建的适配体传感器的分析性能。尽管具有这些优势，基于Fe的MOFs仍存在一些固有的局限性，如相对较差的导电性、受限的界面电子传输动力学以及催化活性位点的暴露不足，这可能限制了它们的实际电化学传感应用。因此，引入次要金属离子来构建双金属Fe基MOFs是一种有效的策略，可以调节局部电子环境、提高催化活性并增强电荷传输效率[38]。先前的报告表明，通过成分调控将Cu、Co、Ni和Mn等金属原子引入基于Fe的MOFs以构建双金属/多金属Fe-MOFs，可以精确调整电子结构、提高导电性、增加活性位点的密度并优化表面吸附和催化性能，从而显著提高电化学传感器的灵敏度、选择性和稳定性[33][34][39][40][41][42]。
在这项工作中，我们报道了一种使用改性了金纳米粒子（AuNPs）的双金属Fe-Mg MOF作为传感平台，用于在人工汗液中敏感且选择性地检测皮质醇的电化学适配体传感器。Fe-Mg MOF通过溶胶热法合成并进行系统表征。双金属中心的协同效应增强了MOF的过氧化物酶模拟活性和导电性。进一步通过电沉积AuNPs来提高电子传输效率，并为巯基化的皮质醇适配体提供锚定位点。开发的适配体传感器表现出优异的分析性能，包括宽广的线性范围、低检测限、高选择性、良好的重复性和再现性。在人工汗液样本中成功检测到皮质醇，证实了其在非侵入性应激监测中的实际应用潜力。

试剂和材料
硝酸铁九水合物（Fe(NO3)3·9H2O，99.9%）、氯化镁六水合物（MgCl2·6H2O，99%）由山东科远药业有限公司提供。对苯二甲酸（H2BDC，98%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，99.8%）、多巴胺（DA）、葡萄糖（Glu）、尿素和人工汗液来自上海麦克林生物科技有限公司（中国上海）。抗坏血酸（AA）和牛血清白蛋白（BSA）从上海桑贡生物科技有限公司购买。

Fe-Mg MOF及其改性电极的表征
首先通过SEM和TEM观察合成的Fe-Mg MOF的形态。如图2a-c所示，Fe-Mg MOF显示出类似Fe-MOF的纤维状结构，平均直径和长度分别约为500 nm和1 μm。高分辨率TEM成像（图2c）显示，纤维状结构由聚集的纳米晶体组成，框架中分布着丰富的介孔。能量色散光谱（EDS）映射...

结论
在这项工作中，我们成功开发了一种高度敏感且选择性的电化学适配体传感器，用于在人工汗液中检测皮质醇，采用改性了AuNPs的双金属Fe-Mg MOF作为传感平台。溶胶热合成的Fe-Mg MOF与单金属Fe-MOF或Mg-MOF相比，表现出更强的过氧化物酶模拟活性和更高的导电性，这归因于Fe3+和Mg2+中心之间的协同电子效应。在选定的实验条件下，该传感器...

作者贡献声明
梅王：撰写 – 审稿与编辑、原始草案撰写、方法学、资金获取、正式分析、概念化。王泽生：撰写 – 审稿与编辑、验证、正式分析、数据管理。姜丽英：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念化。刘雅倩：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法学、研究。周震：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法学、研究。熊作平...

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本论文的报告。