激光诱导石墨烯电极/Nd-MOF杂化平台用于选择性电化学检测癌细胞

《Materials Today Nano》：Laser-Induced Graphene Electrodes/Nd-MOF Hybrid Platform for Selective Electrochemical Detection of Cancer Cells

　　

摘要

在这项研究中，开发了一种新型电化学生物传感平台，用于基于激光诱导石墨烯（LIG）电极选择性地检测癌细胞。该电极经过钕基金属有机框架（Nd-MOFs）修饰。Nd-MOF结构采用氨基对苯二甲酸合成，并通过EDC/NHS偶联法与叶酸（FA）进行功能化，以实现针对性识别过表达叶酸受体的细胞。这种Gr/Nd-MOF-FA杂化界面结合了导电石墨烯的骨架与Nd-MOF的高表面积和丰富的功能位点，从而实现了高效的叶酸固定和选择性癌细胞识别。通过FTIR、XRD和SEM分析对合成材料的物理化学性质进行了表征，证实了MOF的成功形成、氨基的功能化以及FA的偶联。通过循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）和电化学阻抗谱（EIS）系统评估了其电化学性能。所开发的生物传感器对过表达叶酸受体的HeLa细胞表现出强烈且选择性的响应，而与叶酸受体表达较低的A549细胞系的相互作用微乎其微，这证明了叶酸功能化的选择性识别作用。该传感器具有较高的检测灵敏度，HeLa细胞系的检测限（LOD）为236个细胞。荧光成像和增殖实验进一步支持了功能化表面的生物相容性和靶向作用。此外，LIG表面具有石墨烯复合材料的固有荧光特性，为集成光学传感功能提供了可能。总体而言，本研究展示了一种兼具电化学和光学特性的多功能高灵敏度生物传感平台。该平台可作为未来癌细胞检测、细胞监测及其他生物医学应用（包括诊断和治疗策略）研究的多功能工具。

引言

金属有机框架（MOFs）是一类通过金属离子或金属簇与多齿有机连接剂配位形成的结晶多孔材料，具有高度有序的三维结构。由于其极高的表面积（通常超过6000 m2/g）以及可调的孔径分布和化学活性，MOFs已成为气体储存与分离、催化、传感和生物医学成像等广泛应用中的多功能平台[1]。MOFs的结构可调节性使其在分析和生物分析应用中具有显著优势，尤其是在需要选择性和灵敏度的场合。

除了传统的过渡金属基MOFs外，基于镧的MOFs（Ln-MOFs）因其独特的电子结构和出色的光物理性质而受到越来越多的关注[2]。其中，钕基金属有机框架（Nd-MOFs）尤其具有潜力。Nd3?离子的4f3电子构型使其具有显著的近红外（NIR）发光特性，这对生物应用非常有利，因为其背景干扰小且能深入组织[3]。此外，Nd3?离子的高且灵活的配位数（通常在8到12之间）有助于形成结构复杂且稳定的框架，尤其是在电极表面整合时。重要的是，镧系元素的4f轨道被外层电子壳有效地屏蔽，这减少了环境干扰，提高了Nd-MOF基系统在生理条件下的化学稳定性和重复性[4, 5]。

在电化学生物传感领域，MOFs的固有限制（如相对较低的导电性）可以通过与高导电性的碳基纳米材料（特别是石墨烯）的杂化有效解决。石墨烯是一种二维（2D）材料，具有优异的导电性、机械强度和大的比表面积，是增强电子转移动力学的理想支架。MOFs与石墨烯的结合结合了MOFs的高孔隙率和化学多功能性与石墨烯的优异导电性。此外，自组装在石墨烯改性电极表面的2D MOF层为生物分子的固定提供了定义明确且生物相容的界面[7]。

激光诱导石墨烯（LIG）是一种多功能且可扩展的方法，可通过CO?激光辐照在聚合物基底（尤其是聚酰亚胺）上直接制备多孔导电石墨烯结构。这种无需掩模、一步完成的工艺可实现同时碳化和石墨化，生成具有高表面积、可调孔隙率和优异导电性的三维互连石墨烯网络[8, 9]。通过调整激光参数（如功率、扫描速度和脉冲密度），可以精确控制LIG的结构和物理化学性质，从而针对特定应用制备功能性微观和纳米级图案[10]。除了简单性和成本效益外，LIG在快速原型制作和与柔性可穿戴平台的兼容性方面也具有显著优势。最近的研究表明，LIG在电化学传感、能量存储、微流控系统和生物医学接口等领域具有广泛的应用前景，这得益于其导电性、机械强度和表面功能化的独特组合[11]。这些特性使LIG成为下一代电子、光电子和生物传感设备的有力材料平台。

使用电化学生物传感器靶向检测癌细胞需要引入选择性的识别元件。在这方面，叶酸（FA）因其对叶酸受体（FRs）的强亲和力而被广泛用作靶向配体，这些受体在多种癌细胞类型中过度表达，包括宫颈癌衍生的HeLa细胞[12, 13]。FA与纳米结构平台的共价偶联通常通过碳二亚胺化学（EDC/NHS）实现，从而在FA与纳米材料表面的功能基团之间形成稳定的酰胺键。这种功能化策略显著提高了生物传感器的选择性，实现了受体介导的识别。

在本研究中，自组装的Nd-MOF结构被合成并固定在石墨烯改性的电极表面上，构建了一个杂化电化学传感平台。随后用叶酸对所得Nd-MOF/石墨烯界面进行功能化，以实现叶酸受体阳性癌细胞的靶向识别。使用过表达叶酸受体的HeLa细胞作为目标模型，以及叶酸受体表达较低的A549细胞作为阴性对照，系统评估了该生物传感器的分析性能。Nd-MOFs与石墨烯的结合带来了双重优势：由于MOF结构的高表面积和氧化还原活性，增强了电化学信号放大；同时，导电石墨烯网络加速了电子转移。结合FA介导的靶向作用，该系统提供了一个高度生物相容、灵敏且选择性的癌细胞检测平台。总体而言，这项工作突显了基于镧的MOF杂化物作为下一代电化学生物传感系统的潜力，对早期癌症诊断和精准医疗具有重要意义。

章节片段

材料与方法

所有化学品均为分析级，无需进一步纯化即可使用。六水合硝酸钕(III)（Nd(NO?)?·6H?O）、对苯二甲酸、硝基对苯二甲酸、氯化锡（SnCl?）、乙酸、十二烷基硫酸钠（SDS）、3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物（MTT）和磷酸盐缓冲盐水（PBS，成分包括NaCl、KCl、Na?HPO?、KH?PO?）均由Sigma-Aldrich（MERCK）提供；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）由Isolab提供；蒸馏水

表征

叶酸的偶联效率通过UV-Vis光谱和标准叶酸溶液构建的校准曲线来确定。校准方程为Y = 457.7X + 0.09537，偶联效率根据偶联后上清液中未结合叶酸的残留浓度计算得出。根据这一分析，叶酸的偶联效率为95.62%。

结论

本研究通过将LIG与钕基金属有机框架（Nd-MOFs）结合并随后进行叶酸（FA）功能化，成功开发了一种多功能电化学生物传感平台。结构和化学分析（FTIR、XRD、SEM）证实了Nd-MOF的成功合成、其晶体骨架的保持以及通过酰胺键形成的有效偶联。将Nd-MOF整合到石墨烯表面增强了表面...

未引用的参考文献

[25], [28]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争财务利益或个人关系。

5. 致谢

本研究得到了土耳其科学技术研究委员会（TüB?TAK）2210-C奖学金计划（项目编号：1649B022406287）的支持。此外，伊斯坦布尔大学-Cerrahpa?a科学研究中心（BAP）也为该项目提供了财政支持（项目编号：FBA-2025-38465）。

作者感谢使用ChatGPT-5.2进行语言编辑和初步起草。所有生成的内容均经过作者的严格审查和修改。

Melek Salmanli|Bilge ?l?eroglu|Deniz Sakarya|Eray Tabak|Furkan Albora|Yasemin Kaptan|Demet Sezgin Mansuroglu|Dursun Yasar Bayramli|Serdar Sanli|Sahika Sena Bayazit|Firat Baris Barlas