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基于水热法合成EDA掺杂MXene量子点（NMxQDs），构建了高灵敏度双模式（颜色/荧光）NE检测平台，在缓冲液和血清中分别实现5.84/6.70 μM和6.4/11.6 nM的超低检测限，具有优异选择性和抗干扰能力。
Ajith Mohanasundaran|Jongsung Kim
韩国京畿道城南市城南大路1342号，加城大学化学、生物与电池工程系，邮编13120
摘要
本研究提出了一种经济实惠、快速且高度敏感的双模式平台，用于利用乙二胺（EDA）掺杂的MXene量子点（NMxQDs）检测去甲肾上腺素（NE）。NMxQDs通过水热法合成，制备出了分布均匀、形状良好且质量高的量子点。值得注意的是，早期使用微波辅助方法制备的NMxQDs显示出更高的检出限（LOD）值，进一步凸显了水热法的优势。所制备的NMxQDs既可用于比色检测，也可用于荧光检测，并对NE具有很强的选择性。比色检测在醋酸缓冲液中表现出无需酶参与的视觉响应，线性范围为20至100 μM，检出限为5.84 μM；在人血清中的检出限为6.70 μM。荧光检测的检测范围更广，为5 nM至100 μM，在PBS中的检出限为6.4 nM，在血清中的检出限为11.6 nM。所有测量结果均显示出优异的线性，并且对共存生物分子的干扰具有很强的抵抗力。针对这两种检测模式，关键传感参数经过了系统优化，同时验证了检测方法的稳定性和重复性。荧光衰减分析表明，荧光淬灭主要通过静态机制发生。总体而言，这些结果证明了一个可靠且抗干扰的NE监测平台。
引言
儿茶酚胺（CAs）是一类分子结构中同时含有胺基和儿茶酚基团的神经递质。尽管CAs在人体内的含量非常低，但其血浆水平的改变与多种神经系统疾病密切相关。NE（也称为去甲肾上腺素或“与压力相关的激素”）是由哺乳动物中枢神经系统中的去甲肾上腺素能神经细胞释放的基于CA的神经递质[1]。人体内NE水平的波动与严重的神经系统疾病密切相关，包括神经节神经母细胞瘤、帕金森病、阿尔茨海默病、副神经节瘤和精神分裂症。NE还对调节关键生理功能至关重要，如应激适应、焦虑控制、睡眠调节和记忆形成[2]、[3]。NE还有助于身体适应内部和外部变化。此外，NE作为一种兴奋剂，能触发典型的交感反应，如警觉性增强、心率加快、血压升高和呼吸加速[4]、[5]。NE水平升高表明可能存在起源于肾上腺髓质和肾上腺外副神经节的神经内分泌肿瘤[6]。因此，准确及时地测量人体内的NE浓度对于相关疾病的及时诊断和医学评估至关重要[7]、[8]。但由于NE在体内的浓度较低，且易受到结构相似的CA神经递质（如多巴胺和肾上腺素）的干扰，因此在人体样本中检测NE具有挑战性[9]。因此，需要一种高选择性、高灵敏度和可靠的NE检测方法。
已有多种方法用于检测NE，包括高效液相色谱（HPLC）、液相色谱-质谱（LC–MS）、电化学、化学发光、比色和荧光技术，以及分光光度测量[9]、[10]、[11]、[12]。其中，电化学检测因其快速和灵敏的特点而被广泛使用。然而，根据世界卫生组织（WHO）的标准，理想的传感器不仅应具有高灵敏度和高速度，还应具有成本效益、环保、用户友好，并且无需高级仪器或专门培训即可操作[13]。在这种情况下，比色和荧光检测等光学检测方法作为传统技术的有前景的替代方案出现，因为它们更符合WHO的标准。比色检测通过可观察到的颜色变化实现视觉分析，无需复杂的设置或昂贵的设备[14]。同样，荧光检测仅使用PL仪器即可实现快速和灵敏的生物分子分析，且样品制备简单[15]。结合比色和荧光检测方法可以提高检测精度和响应性，减少误差，并扩大可测量范围，从而在医学和生物应用中实现更快、更可靠的生物分子分析[16]。为了同时检测NE，通常使用纳米材料，因为它们独特的光学和催化特性以及较大的表面积可以提高灵敏度和选择性。
量子点（QDs）因其强烈的发光性、优异的光稳定性和可调的发射特性而在NE检测中引起了极大的兴趣。它们稳定的荧光特性使得能够实时监测NE浓度。由于这些优势，QDs被广泛用于比色和荧光检测，通过催化或氧化还原反应产生可见信号，并通过尺寸依赖的荧光实现灵敏和选择性的检测[17]、[18]。各种类型的QDs，如石墨烯量子点、AuNPs、碳NPs、ZnS量子点和Cu量子点，表现出出色的光学性能、化学稳定性和生物相容性，使其成为NE检测的理想材料[19]、[20]、[21]、[22]。其中，碳化钛铝（MXenes）因其丰富的表面化学性质和可调的电子特性而成为制备QDs的优越前体。MXene量子点（MxQDs）的表面修饰便于功能化，并能与分析物发生强烈相互作用。此外，MxQDs具有良好的水溶性、化学稳定性和生物相容性，非常适合用于传感应用。尽管关于MxQDs的研究已经相当充分，但其光学特性尚未得到充分研究。它们的光学行为高度依赖于颗粒大小、杂原子掺杂、反应溶剂和前体选择等因素，这强调了控制合成的重要性[23]、[24]、[25]。用氮、硫或磷等杂原子掺杂QDs可以改变电子结构和表面反应性，从而提高比色和荧光响应的灵敏度。特别是，氮掺杂的Ti3C2 MxQDs在NE检测中表现出优异的性能，因为它们具有更好的电子转移、更强的发光性和更好的选择性。因此，它们非常适合用于灵敏和快速的双模式比色和荧光检测。用含胺配体合成的氮掺杂MxQDs（NMxQDs）已被用于荧光和比色检测平台，以实现精确可靠的NE检测[26]。在其他配体中，EDA被选为氮源和表面修饰配体，因为它具有独特的优势。EDA的双功能胺基团能有效钝化表面缺陷并抑制非辐射复合，从而提高荧光效率。EDA还能促进氮原子高效地结合到MXene框架中，改善QDs的电子和光学性质。先前研究表明，与使用其他胺配体制备的QDs相比，EDA修饰的QDs表现出增强的光致发光和更优越的检测性能。在不同的合成策略中，水热法被认为是最可靠和最常用的方法，可制备出尺寸均匀、结晶度高和光学特性稳定的QDs[27]。该方法允许精确调控反应参数，促进可控的颗粒形成和杂原子的有效整合，这对于优化荧光和检测性能至关重要。因此，水热合成是一种实用且可扩展的方法，可用于生产高质量MxQDs，以进行先进的比色和荧光检测。
本研究的主要目的是使用MXene片材和EDA作为前体，通过简单的水热法制备NMxQDs，以实现NE的选择性双模式（比色和荧光）检测。早期研究使用不同的合成方法制备NMxQDs进行电化学和荧光检测，但其检出限明显高于本研究的成果。在我们的研究中，NMxQDs实现了NE的双模式检测，比色检测利用了它们的氧化酶样活性，催化TMB氧化为氧化TMB（O-TMB）。荧光检测依赖于NE相互作用引起的信号淬灭，从而实现快速的视觉检测和灵敏的定量测量。NE的检测范围为5 nM至100 μM，线性良好（R2 = 0.9939）。相比之下，比色检测在20 μM至100 μM范围内也表现出线性响应（R2 = 0.995）。比色检测在醋酸缓冲液中的检出限为5.84 μM，在人血清中的检出限为6.70 μM；而荧光检测在PBS中的检出限为6.4 nM，在血清中的检出限为11.6 nM。实际样本分析证实了两者性能相当。据我们所知，这是首次报道NMxQDs能够在如此低的浓度下实现NE的荧光和比色检测，建立了一种灵敏、低成本的策略，具有广阔的生物和医学应用前景。
实验部分
实验部分
化学品和试剂。
EDA、MAX相3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、醋酸钠、盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）、盐酸去甲肾上腺素（NME）、γ-氨基丁酸（GABA）、抗坏血酸（AA）、盐酸多巴胺（DA）、（?）-肾上腺素（EP）、L-组氨酸（L-His）、NE和人血清（HS）均购自Sigma-Aldrich（美国）。二甲基亚砜（DMSO）、冰醋酸和氢氟酸（HF）购自J.K. Baker，无水D-(+)-葡萄糖也进行了采购。结论
总之，通过水热法成功合成了EDA掺杂的MXene量子点（NMxQDs），制备出了分布均匀、结构明确的量子点。FTIR、XRD、UV–vis光谱、PL、XPS、SEM、TEM和ζ电位分析等物理化学表征证实了NMxQDs的成功制备、结构完整性和表面功能。开发的NMxQDs展示了出色的NE双模式检测能力，实现了无需酶的检测。
CRediT作者贡献声明
Ajith Mohanasundaran：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、概念化。Jongsung Kim：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划的支持，该计划由教育部资助（项目编号RS-2021-NR060117）。我们感谢加城大学智能材料研究中心在仪器方面的技术支持，这些仪器包括SEM（NFEC-2023-02-285654）、FTIR（NFEC-2017-12-049776）、UV/Vis/NIR光谱仪（NFEC-2022-02-276548），这些支持来自韩国基础科学研究所。
