《Materials Today Chemistry》：Ultrasensitive electrochemical immunosensor based on N, S-codoped graphene quantum dots decorated ZIF67@LDH core-shell nanostructure for diagnosis of hepatocellular carcinoma
编辑推荐：
•我们合理构建了一种新型的层次化NSGQDs-ZIF67@LDH核壳纳米结构。•这种层次化结构促进了界面电子转移，加快了氧化还原反应的动力学。•MOF、LDH和NSGQDs的协同结合实现了高性能的电化学生物传感。•AFP检测的线性范围宽为1–1000 ng L?1，检出限为0.3
- •
我们合理构建了一种新型的层次化NSGQDs-ZIF67@LDH核壳纳米结构。
- •
这种层次化结构促进了界面电子转移，加快了氧化还原反应的动力学。
- •
MOF、LDH和NSGQDs的协同结合实现了高性能的电化学生物传感。
- •
AFP检测的线性范围宽为1–1000 ng L?1，检出限为0.37 ng L?1。
- •
已在人血浆中初步验证了AFP检测方法的性能。
引言
肝癌，尤其是肝细胞癌（HCC），由于其发现晚和进展快，是全球癌症相关死亡的主要原因之一[1,2]。早期发现对于提高患者生存率至关重要，然而，传统的诊断方法如影像学和活检通常存在灵敏度低、成本高和侵入性强的问题[3,4]。甲胎蛋白（AFP）被广泛认为是肝癌筛查和监测的临床相关指标[5]。然而，AFP对早期HCC的灵敏度较低，在20 ng mL?1的临界值时灵敏度约为40–60%，而对于直径<2 cm的肿瘤，灵敏度甚至低于30%[6,7]。这凸显了开发高灵敏度、高选择性和快速分析方法的重大需求[8]，特别是在与早期疾病相关的低浓度（<20 ng mL?1）情况下。
电化学生物传感作为一种分析方法，因其极高的灵敏度、快速响应、成本效益以及易于微型化的特点而得到了发展[9,10]。与酶联免疫吸附试验（ELISA）或基于成像的传统诊断技术不同，电化学传感器能够实现实时监测，且样品制备简单，检测限低。这些优势使得电化学平台在早期疾病诊断、床旁检测和个性化医疗中特别有吸引力[11,12]。电化学传感器的性能主要取决于电极材料的性质，尤其是其导电性、表面积、生物相容性、稳定性以及促进电子转移的能力[13,14]。因此，开发先进的功能性纳米材料已成为提高电化学传感性能的核心焦点[15,16]。
近年来，金属有机框架（MOFs），特别是沸石咪唑框架（ZIFs），因其具有较大的表面积、可调的孔隙率、结构稳定性和灵活性等优异特性而引起了广泛关注[17,18]。尤其是ZIF67，由钴离子与2-甲基咪唑配体配位而成，具有较大的表面积、可调的孔隙率和结构多样性[19,20]。这些特性提供了丰富的活性位点，并促进了物质传输，使ZIF67成为电化学应用的理想支架[21,22]。然而，原始ZIF67的固有导电性相对较低，这在高孔隙率和高效界面电荷传输之间形成了一个根本性的权衡。因此，仅仅增加MOF的表面积并不一定能提高电化学传感的动力学性能。
通过将MOF表面的一部分转化为高度羟基化的、电化学活性的层状相，MOF衍生层状双氢氧化物（LDHs）提供了一种解决这一限制的策略[23, [24], [25]]。由此产生的MOF@LDH结构提供了一个协同平台：导电的MOF核心提供了结构稳定性并促进了电子传输，而LDH壳层则提供了丰富的氧化还原活性位点、高离子交换容量和高效的物质扩散能力。LDH内的可调金属阳离子（如Ni2+、Co2+、Fe3+）进一步赋予了内在的电催化活性，其层间间距有利于生物分子的负载，从而有助于直接参与电化学信号的产生[26,27]。尽管有这些优点，MOF@LDH的低生物相容性严重阻碍了其在生物医学应用中的高性能电化学传感[28,29]。仅使用LDH并不能完全解决导电性-可及性之间的权衡，因为LDH本质上是半导体，其纳米片可能会发生聚集或重新堆叠。因此，关键挑战不仅仅是引入第二种功能相，而是在多孔的MOF衍生结构域、电活性的LDH位点和导电路径之间建立电子连接的、结构可及的界面。
因此，将导电碳纳米材料（包括石墨烯衍生物和石墨烯量子点（GQDs）结合到基于MOF和LDH的电极中，以改善电荷传输并提供额外的表面功能[30, [31], [32], [33]]。在这方面，氮和硫掺杂的石墨烯量子点（NSGQDs）特别有吸引力，因为它们具有高导电性、丰富的表面官能团和出色的生物相容性[34,35]。异原子（如氮和硫）的存在不仅调节了电子结构，还引入了额外的活性位点，从而改善了电子转移动力学和催化性能[36]。此外，NSGQDs的纳米级尺寸使其能够高效分散并与其他材料紧密相互作用，有利于构建用于生物医学应用的混合纳米结构。然而，在许多报道的基于GQD的传感系统中，量子点主要作为导电改性剂或信号增强组分，而导电相与电活性宿主之间的结构关系并未得到明确的工程设计。类似的限制也适用于许多基于MOF和LDH的生物传感器，其中分析灵敏度的提高通常是通过添加额外的纳米颗粒、氧化还原标记物、酶或信号放大方案来实现的，而不是通过刻意调节电极-电解质界面来实现的。
在这里，我们构建了一种层次化的NSGQDs-ZIF67@LDH纳米结构，并研究了其结构-界面-电化学性质之间的关系，以实现高性能的电化学传感器（方案1）。在当前设计中，ZIF67的部分表面转化生成了LDH纳米片，同时保留了多孔的ZIF67框架，从而形成了类似核壳的结构。随后用N,S掺杂的石墨烯量子点（NSGQDs）对LDH表面进行修饰，在电活性的LDH界面直接引入了纳米级的导电桥。这种结构旨在缩短电子转移路径，提高电活性位点的可及性，并改善电极界面的润湿性和与生物分子的相互作用特性，从而显著增强了AFP检测的电化学传感性能。此外，混合材料NSGQDs-ZIF67@LDH在传感应用中可以实现更高的灵敏度、选择性和稳定性，使其非常适用于在复杂生物环境中检测疾病生物标志物和其他分析目标。
从这个角度来看，本工作的科学意义在于：（i）建立了一种用于构建整合NSGQDs、ZIF67和LDH的层次化导电纳米复合材料的界面工程策略；（ii）阐明了增强电子转移和信号放大的协同机制；（iii）展示了其在复杂生物样本中检测AFP的适用性，特别是在早期HCC监测的临床相关低浓度范围内。据我们所知，这是首例将NSGQDs与ZIF67@LDH结合用于电化学AFP检测的报道。更重要的是，这一贡献不仅限于引入了一种新的材料组合；它还展示了如何通过空间整合MOF衍生的LDH相和导电量子点界面来调节电化学电荷转移动力学，同时保持高度可及的层次化表面。
章节片段
试剂
l-半胱氨酸、乳糖和牛血清白蛋白（BSA）从Sigma-Aldrich购买。Fisher Scientific提供了2-甲基咪唑（2-MeIm）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）。六水合硝酸钴（II）（Co(NO3)2·6H2O）从ACS Reagent获得。所有化合物均为分析级质量，按原样使用，无需进一步纯化。
NSGQDs的合成
NSGQDs是通过使用乳糖作为碳前体和社会性半胱氨酸作为氮和硫源的溶剂热方法合成的
生物传感器电极材料的制备
使用SEM、TEM和HR-TEM图像（图1）对合成的纳米材料进行了形貌和微观结构表征。如图1a所示，原始ZIF67的SEM图像显示了均匀分布的立方颗粒，具有明确定义的晶体面，表明合成成功且均匀。相应的TEM图像（图1b）进一步证实了ZIF67颗粒的立方形态和多孔结构，粒径范围为300-500 nm。
结论
在这项研究中，我们合理设计了一种新型的层次化NSGQDs-ZIF67@LDH核壳纳米结构，作为AFP检测的电化学界面。该工程化的纳米复合材料表现出优异的物理化学性质，包括高比表面积、丰富的活性位点和丰富的表面官能团，这些共同促进了有效的抗体固定和生物分子的相互作用。
CRediT作者贡献声明
Thi Kim Anh Nguyen：撰写 – 原初草稿、可视化、验证、正式分析、数据管理、概念化。Minh-Son Hoang：验证、正式分析、数据管理。Van Thanh Nguyen：可视化、验证、正式分析、数据管理。Ruey-An Doong：撰写 – 审阅与编辑、可视化、方法学、正式分析。Wei-Fan Kuan：撰写 – 审阅与编辑、方法学、正式分析。Jenn Fang Su：撰写 – 审阅与编辑、方法学、正式分析。Jason
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了台湾地区卫生福利部（PARPG3Q0281）和长庚纪念医院（CMRPG3P0791-3、CMRPG3M0483、CMRPG3N1522、CMRPG3P1092）的资助。
Thi Kim Anh Nguyen|Minh-Son Hoang|Van Thanh Nguyen|Ruey-An Doong|Wei-Fan Kuan|Jenn Fang Su|Jason Chia-Hsun Hsieh
