基于金纳米星与锌酞菁偶联增强的纳米生物传感器平台用于葡萄糖检测

《Polyhedron》：Coupling gold nanostars with zinc phthalocyanine for enhanced glucose detection using a nano-biosensor platform

　　

摘要专业翻译 纳米颗粒和锌酞菁因其在纳米尺度上独特的性质组合而备受关注。本研究报道了两种新型锌酞菁配合物及2-巯基乙醇（2-mercaptoethanol, ME）包被的金纳米星（gold nanostars, AuNS）的合成。锌酞菁配合物通过共价连接至2-巯基乙醇包被的金纳米星上，并用于生物医学研究。研究人员对锌酞菁配合物及其纳米偶联物的光物理性质进行了考察。所合成的锌酞菁通过紫外-可见光谱（UV–Vis spectroscopy）、核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）及荧光光谱进行了表征。此外，除FT-IR和UV–Vis光谱外，还采用透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、热重分析（TGA）和X射线衍射（XRD）对偶联物进行了表征。研究人员利用一种高灵敏度的纳米生物传感器平台检测葡萄糖。金纳米星、锌酞菁及其偶联物被用于检测合成血液（HbA1c）中的葡萄糖。偶联物表现出优于单独锌酞菁配合物的传感性能。研究揭示了金纳米星的场增强特性；因此，在与酞菁偶联后，其强检测活性得以保留。

论文解读文章

研究背景与问题

生物分子的检测在疾病诊断与治疗中日益重要，尤其是糖尿病等疾病的监测。随着全球生活水平提高，糖尿病患病率持续上升，血糖水平监测尤为关键。目前许多用于测量糖化血红蛋白（HbA1c）的纳米技术方法基于电化学过程，这些方法通常需要复杂耗时的生产工艺并涉及危险材料。相比之下，模拟葡萄糖氧化酶（glucose oxidase, GOx）活性的比色法因其快速、经济且操作简便而受到关注，其原理是通过肉眼可观察的颜色变化实现检测，无需复杂昂贵的实验室设备。

天然酶被广泛认为是有效的生物传感器，其优势在于高底物特异性（可精确检测葡萄糖等目标生物标志物）和高催化效率（可实现快速灵敏的生物反应）。然而，酶基生物传感器在非生理环境中的不稳定性和储存困难等显著局限性限制了其更广泛的应用。因此，基于纳米材料开发的模拟酶（nanozymes）应运而生，其具有成本更低、易于储存、稳定性更高、工作温度范围广以及传感活性可调等关键优势。

研究内容与意义

本研究旨在开发一种新型比色纳米生物传感器平台用于葡萄糖检测。研究人员合成了两种新型锌酞菁（zinc phthalocyanine, ZnPc）配合物——锌(II)(四3,5-二叔丁基苯氧基)苯甲酸酞菁（配合物1）和锌(II)(四氧苯氧基)丙酸酞菁（配合物2），以及2-巯基乙醇包被的金纳米星（AuNS-ME）。锌酞菁配合物通过酯键共价连接至AuNS-ME，形成纳米偶联物（1-AuNS-ME和2-AuNS-ME）。该设计利用锌酞菁良好的化学稳定性、π共轭结构和优异的电子转移能力，结合金纳米星独特的星形分支形态所产生的局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance, LSPR）增强效应，实现协同增强的葡萄糖比色检测。研究表明，偶联物表现出优于单独锌酞菁配合物的传感性能，金纳米星的场增强特性使其在与酞菁偶联后仍保持强检测活性。

关键技术方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：通过碱催化芳香取代反应合成酞菁前体（邻苯二甲腈衍生物），再经环四聚反应制备锌酞菁配合物；采用改良HEPES缓冲液法制备金纳米星并用2-巯基乙醇包被；通过DCC（N,N'-二环己基碳二亚胺）介导的酯化反应将酞菁共价偶联至金纳米星表面；利用多种表征手段（UV–Vis光谱、FT-IR、NMR、TEM、EDS、TGA、XRD）对材料结构和性质进行系统表征；构建基于葡萄糖氧化酶（GOx）和NAD?共固定化的比色传感体系，在合成血液（HbA1c）样本中进行葡萄糖检测验证。

研究结果

合成与表征。 通过FT-IR、1H NMR和UV–Vis等技术确认了邻苯二甲腈中间体及锌酞菁配合物的成功合成。邻苯二甲腈b和c通过4-硝基邻苯二甲腈与相应酚类化合物的碱催化芳香取代反应制得，产率分别为77%和88%。配合物1和2通过DBU催化的环四聚反应合成，产率分别为65%和77%。

UV–Vis光谱分析。 配合物1和2在DMSO中的Q带分别位于685 nm和681 nm。配合物2呈现尖锐对称的Q带，而配合物1因J-聚集导致Q带展宽。AuNS经ME功能化后，等离子体带从665 nm蓝移至642 nm，表明介电环境变化。酞菁与AuNS-ME偶联后，Q带从685 nm红移至692 nm并展宽，证实了酞菁分子与金纳米星之间的相互作用。荧光量子产率（ΦF）方面，配合物1和2分别为0.17和0.09，偶联至AuNS-ME后均降至0.01，归因于纳米颗粒的重原子效应。

FT-IR光谱分析。 邻苯二甲腈b的FT-IR谱图显示3356 cm?1（羧基OH伸缩）、2232 cm?1（腈基）和1706 cm?1（羰基C=O）特征峰。酞菁配合物形成后腈基峰消失，C=O峰移至1726 cm?1。配合物2在1695和1725 cm?1处显示两个羰基吸收，分别对应酮基和羧酸。AuNS-ME在2000–3500 cm?1处呈现宽OH伸缩带，偶联物中该峰减弱，且1726 cm?1移至1694 cm?1，证实了酯键的形成。

XRD分析。 AuNS-ME的XRD图谱在2θ = 38°、46°、65°、77°和81°处呈现金的面心立方晶格特征衍射峰，分别对应(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面，与JCPDS卡号04-0784一致。偶联物（2-AuNS-ME）中仍检测到金的特征峰，证实金存在于复合体系中。

EDX分析。 原始AuNS由Au、C、O和Cl组成；经配体交换后，AuNS-ME出现额外的S峰（来源于2-巯基乙醇）。酞菁配合物确认含Zn、C、O和N元素。偶联物中同时出现酞菁和AuNS-ME的元素特征，证实酞菁成功负载于纳米颗粒上。

TEM分析。 AuNS呈单分散星形结构，具有从核心延伸的尖锐分支尖端。ME包被后AuNS-ME出现轻微聚集但星形形态基本保持。与酞菁偶联后可观察到形态变化和聚集，AuNS-ME的分支尖端消失，归因于酞菁对ME的延伸扩展。

TGA分析。 酞菁配合物在45–100 °C区间保持热稳定，150–200 °C出现快速质量损失（有机溶剂燃烧），210–400 °C缓慢分解，400–600 °C快速失重（锌熔点相关）。偶联物表现出比单独酞菁更高的热稳定性，800–850 °C的主要质量损失归因于碳骨架的损失。

传感研究。 传感机制涉及葡萄糖氧化酶对葡萄糖的酶促氧化生成葡萄糖酸和过氧化氢（H?O?）。生成的H?O?与ZnPc–AuNS纳米偶联物相互作用，在金纳米星表面诱导氧化变化，导致LSPR变化和吸收强度降低。所有底物（AuNS、配合物1、配合物2、1-AuNS-ME、2-AuNS-ME）均显示吸光度与葡萄糖浓度呈反比关系。定量分析表明，2-AuNS-ME的线性拟合R2 = 0.99，检测准确度达96.75%，误差仅3.24%；1-AuNS-ME的R2 = 0.96，准确度95.22%，误差4.77%。相比之下，单独AuNS的准确度仅62.84%（误差37.15%），配合物2的准确度为154.81%（误差-54.81%）。检出限（LOD）方面，AuNS为0.083，配合物1为0.080，配合物2为0.077，1-AuNS-ME为0.140，2-AuNS-ME为0.085。实验观察到清晰至棕色的颜色变化，表明AuNS-ME、酞菁配合物及纳米偶联物均具有内在催化活性。加入纳米偶联物后UV–Vis光谱强度高于单独酞菁或AuNS，归因于酞菁与AuNS-ME之间的协同效应。

讨论与结论

研究结果表明，酞菁配合物是金纳米星用于葡萄糖检测的合适载体，能够增强催化活性。纳米偶联物（1-AuNS-ME和2-AuNS-ME）表现出优于单独酞菁配合物和单独金纳米星的传感性能，其中2-AuNS-ME的准确度最高（96.75%）。金纳米星的场增强特性在偶联后得以保留，使其保持强检测活性。该研究为开发基于金属酞菁-贵金属纳米颗粒协同作用的比色生物传感器提供了新策略，有望应用于糖尿病相关生物标志物的快速检测。