基于Er-MOF纳米片和亚甲蓝的光电流极性切换光电化学适配体传感器，用于CA15-3的高性能检测

光电流极性反转型光电化学传感器研究：Er-MOF@AuNPs纳米复合材料用于乳腺癌标志物CA15-3的高灵敏检测，通过MB标记探针实现目标触发极性反转，检测限0.0034 U/mL，选择性、稳定性和抗干扰性优异。

吴文|洪亚文|周宇|孙启航|黄静宇|王艳英|李春娜|孙东

温州医科大学药学院，中国温州，325035

摘要

背景

光电化学（PEC）生物传感器因其固有的优势而越来越受到肿瘤生物标志物检测的关注。然而，传统的PEC传感策略通常基于单向的“信号开启”或“信号关闭”模式，这些模式容易受到复杂生物样本中基质干扰的影响，可能会影响分析的可靠性。光电流极性转换（PPS）作为一种有效策略最近被提出来克服这些限制，但开发高效的光活性材料和合理的信号转换机制以用于基于PPS的PEC生物传感仍然是一个重大挑战。金属有机框架（MOFs）提供了可调的电子结构和高度的结构多样性，使其成为先进光电化学传感平台的有希望的候选者。

结果

开发了一种新型的光电流极性转换PEC适配体传感器，用于超灵敏地检测乳腺癌生物标志物CA15-3。使用H₄TBAPy作为配体合成了二维铒基MOF（Er-MOF）纳米片，并随后用金纳米粒子修饰，形成了Er-MOF@AuNPs纳米复合材料，由于局域表面等离子体共振和良好的导电性，表现出增强的光电化学活性。引入了一种用亚甲蓝标记的适配体作为氧化还原活性信号探针，通过类似Z-scheme的电子转移途径实现了目标触发的从阴极到阳极的光电流反转。在优化条件下，阳极光电流与CA15-3浓度在对数范围内呈线性关系，检测限为0.0034 U/mL。所提出的适配体传感器在检测人类血清样本中的CA15-3时表现出优异的选择性、重复性、光电化学稳定性和满意性能。

意义

这项工作建立了一个基于Er-MOF的PPS PEC传感平台，将信号放大和极性可切换的读出集成到一个分析系统中。目标诱导的光电流反转有效抑制了背景干扰，提高了分析精度，为传统的PEC传感模式提供了一种稳健的替代方案。所提出的策略不仅扩展了基于Er的MOFs在PEC生物传感中的应用，还为开发高精度、抗干扰的PEC传感器提供了通用的设计概念。

引言

乳腺癌是全球最常见的恶性肿瘤之一，在女性恶性肿瘤中发病率最高。它是导致女性癌症相关死亡的主要原因，主要是由于转移性扩散。及时诊断和检测转移性乳腺癌对于改善治疗和患者预后至关重要。肿瘤标志物可以在血液样本中检测到，具有侵入性小、成本低和操作简单等优点，已被广泛用于早期癌症筛查、监测治疗效果和评估预后。CA15-3是乳腺癌的关键生物标志物，是一种由乳腺细胞产生的糖蛋白，在乳腺癌细胞表面过度表达。CA15-3水平的升高与不良预后相关，其功能表达是肿瘤进展的指标[1]。因此，快速灵敏地检测CA15-3对于乳腺癌的早期诊断、治疗监测和预后评估具有重大潜力[2]、[3]。

为了满足对CA15-3可靠定量的日益增长的临床需求，已经建立了多种分析技术，包括免疫组织化学[4]、酶联免疫吸附测定[5]、电化学发光传感器[6]、局域表面等离子体共振生物传感器[7]和荧光适配体基传感器[8]。尽管这些传统方法对肿瘤标志物诊断有所贡献，但它们往往受到操作复杂、程序劳动密集、检测时间较长以及无法实现实时或即时分析等固有限制的约束。近年来，电化学传感器由于其高灵敏度、快速响应和易于微型化而成为有希望的替代方案[9]、[10]。此外，光电化学传感平台在生物标志物检测领域也受到了越来越多的关注，包括CA15-3，因为它们独特的信号转导机制结合了光学激发和电化学读出[11]。光电化学传感器使用光作为激发源，电化学信息作为输出信号，有效地解耦了激发和检测过程。这种分离显著降低了背景噪声，提高了检测灵敏度，并最小化了来自电活性物种的干扰。PEC传感器的性能在很大程度上取决于光活性材料，这些材料决定了电荷生成、分离和传输的效率。近年来，金属有机框架（MOFs）及其衍生物作为有前途的光活性材料受到了广泛关注。它们可调的孔隙率、大的表面积和灵活的化学功能为传感器制造提供了稳健的平台。为了进一步提高MOFs的光电性能，已经使用了各种功能性材料，如导电聚合物[12]、贵金属纳米粒子[13]、金属硫化物[14]和量子点[15]来构建基于MOF的混合纳米复合材料。这些改性的MOF纳米结构可以促进光生电子-空穴对的空间分离，并通过充当电荷介质或光捕获组分来提高光电转换效率。此外，MOFs规则的孔结构促进了电解质的扩散，并确保了电解质与传感电极之间的有效界面接触。通过利用基于MOF的纳米复合材料的固有信号放大特性，PEC平台可以实现超灵敏和高选择性的目标检测。

在实际的光电化学传感应用中，复杂的样本基质经常引入各种干扰物种，这些物种可能会不可预测地减弱或放大光电流信号，从而影响分析的准确性。基于单向“信号关闭”或“信号开启”模式的传统PEC策略往往无法有效区分目标诱导的响应和非特异性干扰引起的响应，从而增加了假阳性或假阴性结果的风险[16]、[17]。为了解决这些限制，光电流极性转换（PPS）模式作为一种有前景的方法出现了。在这种模式下，目标分析物的识别触发了光电流信号极性的反转。这种双向信号调制提供了一个独特的优势：它通过将检测转化为特定极性的响应，本质上中和了背景干扰的叠加效应。实验研究表明，PPS策略在复杂环境中显著提高了检测特异性、准确性和抗干扰能力。光电流极性反转可以通过几种机制实现，包括入射光波长的调节[18]、[19]、施加偏压的改变[10]、[21]，以及最常见的是引入特定的目标分析物[22]、[23]。例如，Liang等人开发了一种PPS-PEC生物传感器，通过构建一个用卟啉基信号探针5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉（TFC）修饰的MXene/CdS异质结，并与Fe³⁺和Cu²⁺离子配位。该系统通过目标诱导的极性反转实现了对卡那霉素的超灵敏检测，有效最小化了干扰效应并提高了信号分辨率[24]。这种双重调制传感机制为PEC生物传感器提供了新的范式，特别是当与MOFs及其衍生物等光活性纳米材料结合使用时。将基于MOF的信号放大与极性可切换的读出相结合，可能会开启下一代高精度的PEC传感器，适用于复杂的生物和环境样本。

为了制造一种高性能的PPS PEC生物传感器，用于灵敏检测CA15-3，本研究使用1, 3, 6, 8-四(对苯甲酸)芘（H₄TBAPy）作为有机配体，Er³⁺作为金属中心，合成了新型的铒基金属有机框架（Er-MOF）纳米片。所得到的Er-MOF表现出p型半导体特性和有利的光电化学活性。为了进一步提高PEC性能，金纳米粒子（AuNPs）自组装在Er-MOF表面。引入AuNPs不仅通过局域表面等离子体共振（LSPR）和良好的导电性改善了电荷传输和光电转换效率，还通过强大的Au-S键合为巯基化适配体提供了丰富的锚定位点。如图1所示，光活性Er-MOF@AuNP纳米复合材料作为光活性元件。特异性针对CA15-3的适配体被固定在Er-MOF@AuNP/GCE表面上，以确保选择性地识别目标。此外，引入了一种用亚甲蓝（MB）标记的适配体作为氧化还原活性信号探针，使得在目标结合时能够实现光电流极性切换。通过Er-MOF@AuNPs的信号放大和MB置换实现的光电流反转的整合，有助于构建具有双模式信号转导和高选择性的PEC生物传感器。这种合理的设计结合了稀土MOFs的优越光活性、LSPR效应和AuNPs的优异导电性，以及极性切换PEC检测的抗干扰优势。所提出的平台为在复杂生物基质中超灵敏和高选择性地定量CA15-3提供了有希望的策略。

实验部分

实验部分

Er-MOFs的合成所用化学试剂和仪器以及实验程序详见补充材料。

Er-MOFs和Er-MOF@AuNPs纳米复合材料的表征

使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）表征了合成的Er-MOFs的形态特征。如图1A ∼ C所示，Er-MOFs表现出明确的纳米片状形态，横向尺寸相对均匀，大约在100到200纳米之间。值得注意的是，纳米片的表面看起来粗糙且有纹理，这有利于后续AuNPs的锚定，因为它提供了更多的

结论

在本研究中，使用H₄TBAPy作为有机配体，Er³⁺作为中心金属离子，成功合成了具有阴极光电流特性的Er-MOF纳米片。通过自组装AuNPs进一步功能化了Er-MOF纳米片，通过LSPR效应增强了光捕获，并通过良好的导电性促进了光诱导电子-空穴对的分离，从而显著提高了光电流响应。使用MB-Aptamer作为信号

CRediT作者贡献声明

洪亚文：撰写——原始草稿，验证，软件，方法学，研究，概念化。吴文：撰写——原始草稿，验证，软件，方法学，研究，概念化。孙东：撰写——审阅与编辑，监督，研究，概念化。李春娜：撰写——审阅与编辑，监督，研究，资金获取，概念化。孙启航：软件，方法学，数据管理。周宇：验证，方法学，形式化

未引用的参考文献

[20]。

利益冲突声明

☒ 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：22474158和22074160）、中南民族大学的科研平台基金（编号：PTZ25010）、中南民族大学的学术创新团队基金（编号：XTZ24010）以及中南民族大学的中央高校基本科研业务费（编号：CZH25033）的财政支持。