分子内共振能量转移驱动的基于自增强p-COFs的电化学发光传感器用于CYFRA21-1的检测

《Journal of Colloid and Interface Science》：Intramolecular resonance energy transfer-driven self-enhanced p-COFs-based electrochemiluminescence sensor for the detection of CYFRA21-1

　　

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  具有有序供体-受体架构的自增强卟啉COF发光体实现了高效且稳定的ECL发射。
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  Co₃O₄@Co-Fe纳米复合材料作为信号调节剂，通过与p-COFs之间的界面RET触发来增强传感灵敏度。
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  CYFRA21-1传感器表现出超宽线性范围、超低检出限以及优异的选择性和稳定性。

引言

细胞角蛋白19片段（CYFRA21-1）是细胞角蛋白19在蛋白酶介导的降解过程中释放到血液循环中的主要可溶性产物[1]、[2]。大量研究表明，血清CYFRA21-1水平与非小细胞肺癌（NSCLC）的肿瘤侵袭、转移和复发风险呈显著正相关。基于这一生物学特性，CYFRA21-1已被广泛应用于NSCLC的辅助早期筛查、动态疗效监测和个体化预后评估。同时，在膀胱癌、食管癌和头颈鳞状细胞癌等肿瘤患者中也可观察到CYFRA21-1水平的异常升高。目前，对兼具超高灵敏度与优异选择性的检测策略的需求日益增长，以支持精准诊断和早期临床干预[3]、[4]。

传统的免疫分析技术，包括酶联免疫吸附测定（ELISA）[5]、[6]、化学发光免疫分析（CLIA）[7]、侧向流免疫检测（LFIA）[8]和荧光免疫分析（FIA）[9]，因其可靠的特异性而被广泛应用。然而，其实际应用性能往往受到灵敏度不足和动态范围相对较窄的限制，这妨碍了对复杂生物样本中痕量生物标志物的可靠定量。这些不足之处凸显了开发能够提供更高采光灵敏度和更宽工作范围的先进分析平台的迫切需求。

电化学发光（ECL）凭借其固有优势——超高灵敏度、低背景信号、宽动态范围和强选择性，已成为生物标志物检测的有力替代方案[10]、[11]、[12]。与常规光学方法不同，ECL通过电化学激发产生发光，这大大抑制了背景干扰并提高了痕量分析的可靠性[13]、[14]。在ECL传感系统中，发光体的选择尤为关键，因为其光物理和电化学性质直接决定了信号强度、信号稳定性和综合传感能力[15]、[16]、[17]。卟啉基发光体在此领域尤为引人注目，因其具有刚性的π共轭骨架、有利的激发态性质和高结构可调性，为高性能ECL平台的理性设计提供了丰富的机会[18]、[19]、[20]。然而，卟啉单体容易发生聚集猝灭（ACQ），降低了激发态效率，限制了其在高性能ECL检测中的应用。

将卟啉纳入多孔晶体框架是一种缓解ACQ并提高发射稳定性的有效策略[21]、[22]。COF具有高度有序且可调的孔结构和丰富的功能位点，能够为发光体和生物识别元件的固定提供有利的微环境[23]、[24]、[25]、[26]。同时，其刚性共价骨架和大的比表面积不仅实现了高效的电荷传输，还调节了分子聚集行为，赋予其优异的ECL发光性能[27]、[28]、[29]。然而，大多数已报道的卟啉基COF的构建通常依赖于较为苛刻的合成条件，这在一定程度上限制了其在ECL系统中的实际应用[30]、[31]。为解决这一问题，本工作通过温和的溶剂热策略，以5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉（TAPP）和4,4′,4″,4?-(乙烯-1,1,2,2-四基)四苯（ETBA）为构建单元，成功构建了一种卟啉基COF。值得注意的是，所制备的p-COFs表现出独特的自增强ECL行为。一方面，COF框架的空间限域效应有效抑制了TAPP发光体的ACQ，提高了辐射复合效率。另一方面，有序排列的π共轭结构促进了TAPP与ETBA之间高效的框架内共振能量转移（RET），促进了激子迁移和能量利用。多种效应的协同耦合作用显著增强了ECL信号的强度和稳定性，从而实现了自增强p-COFs的构建。

尽管p-COFs通过限域效应和框架内RET提高了发射效率，但传统的"信号开"机制通常表现出有限的信号变化，限制了在复杂检测场景中的灵敏度。为克服这一限制，引入了Co₃O₄@Co-Fe纳米复合材料作为界面调节剂，以诱导猝灭ECL信号的界面RET过程。通过将这一猝灭通路与p-COFs内部的发射增强型RET相结合，建立了一个具有相反调控通路的二元RET系统，显著拓宽了整体信号窗口。所制备的免疫传感器表现出3.26 fg/mL的低检出限和从10 fg/mL到500 ng/mL的宽线性范围，凸显了其在超灵敏生物标志物检测方面的潜力。综合而言，本工作表明，将高发射p-COFs与合理设计的能量转移通路相结合，为构建兼具高灵敏度和稳定信号输出的下一代ECL传感器提供了一种可推广的策略，为未来高性能生物传感平台的设计提供了框架。

章节摘要

化学品与试剂

本工作中使用的所有化学品和试剂均详见补充材料。

p-COFs的制备

p-COFs的合成方法遵循先前报道的程序，并进行了少量优化和改进[32]。具体而言，将TAPP（16.87 mg）和ETBA（11.1 mg）置于洁净的烧杯中，依次加入1.0 mL 1,2-二氯苯、1.0 mL正丁醇和0.25 mL 6 M醋酸。混合物超声处理15分钟以确保完全均一化，随后

p-COFs和Co₃O₄@Co-Fe的表征

如图1A所示的扫描电子显微镜（SEM）图像，所合成的p-COFs主要呈现不规则球形形貌。颗粒分布均匀，形状略有变化且表面相对粗糙。独特的形貌赋予该材料更大的比表面积和大量的催化活性位点。p-COFs的X射线衍射（XRD）图谱显示出明显的衍射峰（图1B），证实了p-COFs具有

结论

本工作开发了一种三明治型ECL传感器，用于肿瘤生物标志物CYFRA21-1的超灵敏检测，该传感器使用了p-COFs和Co₃O₄@Co-Fe多孔纳米笼。通过将框架内RET的发射增强与界面RET的信号猝灭相结合，建立了一种双重能量转移调控的传感策略，实现了对ECL响应的有效调节。结果表明，所提出的免疫传感器表现出优异的解析性能，具有宽的线性范围

CRediT作者贡献声明

王贝贝：撰写初稿、形式分析、数据整理。吕玉冰：监督指导、数据整理。郑和杰：验证、形式分析。刘上华：可视化、数据整理。周艳丽：可视化、调查研究。徐茂田：验证、监督指导。吴丹：撰写—审阅与编辑、资源。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本论文所述工作的已知经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号：22274063、22474072）、河南省高校科技创新团队计划（编号：24IRTSTHN003）、河南省中原科技创新领军人才（编号：254200510029）、河南省自然科学基金（编号：242300421208）的资助。全体作者表示诚挚的感谢。

王贝贝 | 吕玉冰 | 郑和杰 | 刘上华 | 周艳丽 | 徐茂田 | 吴丹