工程化的PtAgCu/MoS?与六角形星状氮掺杂碳复合材料，通过多重信号增强机制实现了高效的双层电化学免疫传感技术

《Journal of Colloid and Interface Science》：Engineered PtAgCu/MoS 2 and hexagonal star-like nitrogen-doped carbon enabling highly efficient sandwich-type electrochemical immunosensing via multiple signal enhancement

多信号增强策略构建的高灵敏肌钙蛋白I电化学免疫传感器，通过PtAgCu/MoS2复合材料的催化性能优化与HS-NC基体的导电性协同，实现0.51 fg/mL超低检测限和10 fg/mL-100 ng/mL宽动态范围。

　　

孙晓菲|陈宁|王书军|林玉书|张杰|邢硕|刘青|李月云|张道鹏|冯凯|朴钟南|唐峰

山东工业大学化学与化学工程学院，淄博255036，中国

摘要

心肌肌钙蛋白I（cTnI）被认为是急性心肌梗死（AMI）的金标准生物标志物，在早期诊断和临床管理中起着关键作用。本文提出了一种合理设计的多重信号增强策略，用于cTnI的超灵敏电化学免疫测定。该策略结合了褶皱MoS₂支撑的PtAgCu三元合金（PtAgCu/MoS₂）的优异催化活性和经过金纳米粒子（Au@HS-NC）改性的六角星状氮掺杂碳（HS-NC）的优良导电性。PtAgCu合金具有最大的原子利用率和优化的d轨道耦合，表现出出色的过氧化氢（H₂O₂）电还原活性以及较大的电化学活性表面积，从而有效放大了传感信号。同时，精心设计的MoS₂载体不仅提供了丰富的锚定位点，促进了电荷转移，还富集了H₂O₂反应物，进一步提升了PtAgCu合金的催化性能。此外，形态工程化的HS-NC作为理想基底，具有高导电性和超大的表面积（1121.80?m²?g^?1），能够有效固定一级抗体（Ab₁）并实现稳定的快速电荷转移，从而协同增强了信号输出。得益于这种多重放大策略，所开发的免疫传感器实现了低至0.51?fg?mL^?1的检测限和极宽的动态范围（从10?fg?mL^?1到100?ng?mL^?1），并在复杂基质中表现出优异的选择性，同时保持了高重复性和稳定性。这项工作展示了构建高性能免疫传感器的合理多放大设计范例，并强调了其在AMI早期诊断中的潜在应用。

引言

急性心肌梗死（AMI）是一种危及生命的心血管疾病，通常由动脉粥样硬化斑块破裂、血栓形成及随后的冠状动脉阻塞引起，严重威胁人类健康和生存[1]。在各种生物标志物中，心肌肌钙蛋白I（cTnI）因其较长的诊断窗口和极高的特异性而被广泛认为是金标准生物标志物[2]、[3]。在临床实践中，健康个体的cTnI浓度通常低于0.4?ng?mL^?1，而在患者中则超过100?ng?mL^?1[4]。cTnI的异常升高为AMI的早期诊断提供了有力依据，建立可靠的微量cTnI检测方法对于改善临床结果至关重要[5]。尽管已经开发了多种cTnI检测技术，包括荧光、放射免疫测定、比色法、化学发光和表面等离子共振，但这些技术存在灵敏度不足、动态范围狭窄和操作复杂等问题，阻碍了其快速临床应用[6]、[7]。电化学免疫传感器提供了一种有吸引力的替代方案，具有低成本、快速响应和操作简便等优点[8]、[9]、[10]、[11]。夹心结构通过利用一级抗体（Ab₁）-抗原-二级抗体（Ab₂）的特异性结合模式，大大提高了检测选择性，有效避免了非特异性吸附的干扰[12]。特别是结合纳米材料和催化放大策略的夹心型配置，在微量生物标志物检测方面显示出巨大潜力[13]。功能性纳米材料的合理设计提供了一个多功能平台，每个组分都可以被设计为发挥不同的放大作用，协同提升整体传感性能[14]、[15]。

作为夹心型电化学免疫传感器的关键组成部分，具有高效过氧化氢（H₂O₂还原活性的信号标签与Ab₂结合时，能够实现显著的信号放大[16]、[17]。信号标签材料的合理设计对于制备能够敏感检测cTnI的电化学免疫传感器至关重要[18]。在各种候选材料中，基于铂的纳米材料因其优异的催化活性而被广泛研究[19]、[20]。为了进一步优化性能，与次要或第三种非铂金属的合金化已成为一种有效策略，不仅可以降低材料成本，还能通过协同效应提升催化活性[21]、[22]、[23]。特别是，将亲氧金属（Ag、Ni、Cu、Ru）引入三元金属框架中，可以通过配体效应诱导电子调制，从而优化催化性能[24]、[25]。因此，开发具有优异H₂O₂还原活性的基于铂的三元金属信号标签至关重要。除了成分调节外，将贵金属基纳米材料分散在多孔基质上也被认为是进一步放大信号输出的有效方法[26]、[27]、[28]。多孔基质不仅可以抑制合金纳米粒子在催化过程中的聚集，还能促进电荷转移并富集H₂O₂反应物，从而显著提升信号标签平台的整体电催化性能[29]。因此，将合金化的贵金属纳米材料与设计良好的多孔基质巧妙结合，提供了一种强大的多重放大策略，为超灵敏生物标志物检测提供了巨大潜力。

此外，用于构建夹心型电化学免疫传感器的基底材料的合理设计可以有效降低检测限并提高灵敏度[30]、[31]。具有高导电性和大面积的基底材料对于电化学免疫传感器至关重要，因为它们能够促进电子传输，并为Ab₁的固定提供丰富的锚定位点[32]。功能性碳基材料因其优异的导电性和结构稳定性而被广泛研究[33]、[34]。然而，在实际生物传感中还需要满足其他要求，如高效的反应物分子富集和简便的表面修饰，这些对于加速催化过程和保证生物相容性至关重要[35]。为此，基于金属有机框架（MOFs）的碳材料被认为是有前景的替代品[36]、[37]、[38]。由于其固有的大表面积、可控的孔道和可调的杂原子组成，MOF衍生的碳材料在催化和能量存储到生物传感等多个领域得到了广泛应用[39]。经过碳化处理后，这些材料不仅保留了MOF前体的层次多孔结构，还允许可控的杂原子掺入，从而调整其物理化学性质并改善界面兼容性[40]、[41]。综上所述，这些独特优点使得合理设计的MOF衍生碳材料成为构建先进夹心型生物传感阵列的理想基底框架。

本文开发了一种合理设计的夹心型电化学免疫测定方法，用于定量检测cTnI。该传感平台基于多重信号增强策略构建，结合了褶皱MoS₂支撑的PtAgCu三元合金（PtAgCu/MoS₂）复合材料和经过金纳米粒子改性的六角星状氮掺杂碳（Au@HS-NC）。精心设计的PtAgCu三元合金具有优化的d轨道耦合效应，表现出高的原子利用率和优异的H₂O₂电催化活性。当与三维褶皱MoS₂载体结合时，后者提供了丰富的锚定位点，加速了电荷传输并促进了H₂O₂的富集，从而使复合材料的电化学活性表面积增大，催化动力学得到提升，共同放大了输出信号。此外，具有超大表面积（1121.80?m²?g^?1）和优异导电性的六角星状氮掺杂碳（HS-NC）基底材料不仅促进了Ab₁的有效固定，还实现了稳定的快速电子/质量转移，进一步增强了电化学响应。通过这种多重放大策略，所开发的免疫传感器表现出极高的灵敏度、宽动态范围和超低检测限，以及出色的稳定性、重复性和选择性，并在真实血清样本中取得了成功应用，凸显了其在AMI早期诊断中的巨大潜力。

材料

所有材料均未经额外纯化直接使用。醋酸锌二水合物（C₄H₁₀O₆Zn，98%）、氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES，99%）、硫代乙酰胺（CH₃CSNH₂，99%）、钼酸盐四水合物（H₃₂Mo₇N₆O₂₈，99%）、磷酸二钠（Na₂HPO₄，99.9%）、氯金酸（HAuCl₄，98%）、柠檬酸二钠（Na₃C₆H₅O₇·2H₂O，≥99.8%）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，97%）均购自Macklin Biochemical Co., Ltd.（上海，中国）。氯化钾（KCl，99.5%）

结果与讨论

高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像证实了三维PtAgCu纳米结构的形成，显示这些结构是由相互连接的块状纳米粒子组装而成的（图1A）。分支形态显著增加了表面积（图S1），有利于快速的质量传输和活性位点的充分暴露，从而增强了电化学信号放大效果。图1A的插图显示了明显的晶格条纹

结论

总之，成功制备了一种多重信号增强的夹心型电化学免疫传感器，用于超灵敏和定量检测cTnI。通过合理而细致的设计，充分利用了PtAgCu/MoS₂和Au@HS-NC的结构优势，使其能够高效集成到传感平台并实现协同的多重信号放大。具体而言，PtAgCu/MoS₂复合材料具有优化的d轨道耦合

CRediT作者贡献声明

孙晓菲：撰写 – 原始草稿、方法学、实验研究。陈宁：方法学、实验研究。王书军：方法学、实验研究、资金获取、数据管理。林玉书：实验研究、数据分析。张杰：实验研究、数据分析。邢硕：实验研究。刘青：指导。李月云：指导。张道鹏：指导。冯凯：方法学、概念设计。朴钟南：资金获取、概念设计。唐峰：撰写 – 审稿

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了山东省自然科学基金（ZR2021QB050、ZR2022QB088、ZR2023QE089）和技术创新计划（20018357，用于开发用户生物和环境信息反应性打印电子变色龙的CMF设计）的支持，该计划由韩国贸易、工业与能源部（MOTIE）资助。