基于三金属协同功能化的混合MOF材料的比色-光热双模式侧向流动免疫测定法，用于提升检测性能

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Trimetallic synergistically functionalized hybrid MOF-based colorimetric-photothermal dual-mode lateral flow immunoassay for enhanced performance

本工作开发了一种基于三金属共价杂化MOF（MIL-101(FeCu)）负载金纳米颗粒的快速检测系统，通过双信号（比色-光热）校准策略显著提升牛奶中利福昔明（RIF）的检测灵敏度（LOD达0.30 μg/kg）与准确性，并经液相色谱-质谱联用技术验证。

　　

林忠祺|李子桥|杨子军|徐振林|雷洪涛|李向梅

中国华南农业大学食品科学学院，广东省食品质量与安全重点实验室，广州510642

摘要

为了解决快速食品安全检测中灵敏度有限和准确性不足的持续问题，研究人员合成了一种新型的三金属协同功能化杂化金属有机框架MIL-101(FeCu)，并加载了金纳米颗粒，用于超灵敏和准确地检测牛奶中的利福昔明（RIF）。这种工程纳米材料表现出优异的显色-光热性能和强的环境耐受性，这些特性被用来开发一种双信号（比色-光热）校准策略，集成到侧向流动免疫测定平台上。双模式设计实现了自我验证和信号校正，显著提高了灵敏度和准确性。在比色模式下，检测限（LOD）为0.67 μg/kg，回收率在93.33%到111.99%之间，变异系数（CV）在4.33%到9.45%之间。在光热模式下，LOD进一步降低到0.30 μg/kg，回收率为95.67%–108.38%，CV为6.20%–10.47%。与比色模式相比，光热模式的灵敏度提高了2倍，比现有的RIF检测方法提高了33倍。通过使用液相色谱串联质谱对10个真实牛奶样本进行平行分析，严格验证了所提出方法的准确性和适用性。两种方法之间观察到极好的相关性（R2 > 0.99）。这项工作为开发和应用高灵敏度和高准确性的高性能免疫传感器开辟了新的途径。

引言

基于抗原（Ag）-抗体（Ab）特异性相互作用的侧向流动免疫测定（LFIA）在快速食品安全检测领域非常受欢迎[1]，因为它操作简单、结果判断即时、成本低廉，且不需要专业培训或复杂设备[2]。然而，传统的LFIA主要依赖金纳米颗粒（AuNPs）作为信号探针，存在固有的局限性：其较低的摩尔消光系数导致信号强度不足，限制了对低浓度分析物的检测能力[3]；单模式比色读数容易受到背景干扰，影响定量准确性；AuNPs稳定性差，在储存过程中容易聚集[4]。这些因素共同导致了传统方法在灵敏度、稳定性和抗干扰能力方面的显著局限性。

为了解决这些技术挑战，引入了光热、荧光和表面增强拉曼散射等新型信号策略来提高检测性能[5]。其中，光热模式中，纳米材料吸收的光能被有效转化为热能，通过温度监测实现目标的定量分析[6]。这种机制实现了从光学信号到光热信号的“二次转换和放大”，具有低背景噪声和高灵敏度的独特优势，特别适合在复杂样品中准确检测微量分析物[7]。例如，Lai等人使用类似珊瑚的中空金纳米球作为光热探针构建了一种用于检测磺胺喹诺酮的LFIA，灵敏度提高了6倍，检测范围扩大了三个数量级[8]。Vo-Dinh等人设计了具有大而尖锐分支的工程等离子体活性金纳米星，用于血清中心肌肌钙蛋白I的光热检测，灵敏度比传统的基于AuNP的比色测定高约1000倍[9]。此外，同一团队设计了具有优化核壳结构的金纳米笼，建立了一种用于检测甲型流感病毒的比色-光热双模式LFIA，不仅光热灵敏度提高了8000多倍，而且稳定性保持了五个月[10]。这些进展表明，光热信号在提高LFIA整体性能方面具有巨大潜力，其核心因素在于高效纳米材料的合理设计。上述研究主要集中在不同形态的单体金纳米结构上。如果将大量AuNPs负载到单个载体上，预计光热转换效率会有显著提高。金属有机框架（MOFs）由金属离子和有机连接剂自组装成三维多孔网络，具有高比表面积、可调孔径、易于功能化和良好的生物相容性，是理想的定制传感平台[11]。例如，李的团队设计了具有不同形态和信号输出的MOF探针，在LFIA检测各种小分子（如农药[12]、兽药[13]和霉菌毒素[14]）方面取得了显著的性能提升。因此，将MOF载体与AuNPs结合被认为非常有前景：MOFs的高表面积可以用来负载大量AuNPs，从而增强比色和光热信号，而其多孔结构可以有效保护Ab免受恶劣基质环境的影响。此外，通过选择具有特定功能的金属节点或配体，MOFs可以具有内在的比色和光热转换能力，为建立理想的高性能双模式LFIA铺平了道路。

基于这一概念，设计了一种具有双比色-光热特性的MOF载体（MIL-101(FeCu)），并加载了AuNPs。Fe的电子转移能力和Cu的表面等离子体共振（SPR）效应有望扩大光吸收范围，并与AuNPs协同作用[16]，共同提高光热转换性能。为了系统评估MIL-101(FeCu)@AuNPs的性能优势，使用牛奶中的利福昔明（RIF）检测构建了一个比色-光热双模式LFIA平台。基于灵敏度、稳定性、准确性和样品适应性等关键指标进行了全面验证。这项工作旨在为高性能、实用的比色-光热双模式LFIA系统的开发提供新材料和技术支持。

部分片段

试剂和设备

本节的详细信息见补充材料。

MIL-101(FeCu)@AuNPs的合成

依次向玻璃容器中加入FeCl?·6H?O（0.5 mmol，135.15 mg）、CuSO?·5H?O（0.25 mmol，62.42 mg）、对苯二甲酸（PTA）（0.5 mmol，83 mg）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）（16 mL），然后用超声波溶解。将混合物转移到聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在110 °C下反应20小时。冷却至室温后，在4 °C下以9000 ×g离心8分钟。沉淀物用...

比色-光热双模式LFIA的原理

牛奶样品中的RIF与T线上的RIF涂层Ag竞争结合探针上的有限Ab。样品中不含RIF时，探针被T线捕获，形成黑色条带；当用808 nm激光照射时，产生最强的光热信号。如果样品中含有RIF，RIF优先与探针上的Ab结合，随着RIF浓度的增加，T线上捕获的探针数量减少，...

结论

在这项工作中，开发了一种基于三金属协同功能化杂化MOF的比色-光热双模式LFIA，用于检测牛奶中的RIF。该方法具有三个关键优势：首先，三金属协同功能化杂化MOF表现出优异的显色-光热性能和强的环境耐受性；其次，通过比色和光热检测的双模式校准显著提高了测定的准确性；

CRediT作者贡献声明

徐振林：监督、概念化。雷洪涛：监督、概念化。李向梅：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供。林忠祺：撰写 – 原稿撰写、软件使用、方法学、数据分析。李子桥：软件使用、资源提供、数据管理。杨子军：软件使用、资源提供、数据管理。

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（32572699，32272404）和国家重点研发计划（2023YFF1105004）的资助。

林忠祺正在华南农业大学攻读食品科学硕士学位，专注于食品安全快速检测技术。