金纳米颗粒/ZIF-8金属有机框架作为信号放大器和少量碳纳米管@β-环糊精作为载体用于甲状腺球蛋白的夹心式电化学免疫传感

《Talanta Open》：Gold nanoparticles/ZIF-8 MOFs as amplifier and few carbon nanotubes@β-cyclodextrin as carrier for sandwich-like electrochemical immunosensing of thyroid globulin

本文为应对甲状腺癌诊断中甲状腺球蛋白（THY）高效、灵敏检测的难题，报道了一种基于金纳米颗粒/ZIF-8复合物（Au/ZIF）和少量碳纳米管@β-环糊精（FCNTs@β-CD）的夹心式电化学免疫传感器（SLEM）。该传感器利用Au/ZIF固定二抗和信号探针进行信号放大，并利用FCNTs@β-CD固定一抗，实现了对THY的高灵敏检测，线性范围0.5–150 ng/mL，检出限低至0.2 ng/mL，展现出优异的分析性能和应用潜力。

　　

癌症是威胁人类健康的全球性难题，其中甲状腺癌在女性中的发病率位居前列。甲状腺球蛋白（Thyroglobulin， THY）作为一种由甲状腺滤泡细胞产生的糖蛋白，是监测甲状腺癌患者术后复发的重要生物标志物。临床上，血液中THY的水平是评估治疗效果的关键指标，但传统的检测方法，如电化学发光、比色法、微流控技术、放射免疫分析、荧光法等，往往面临设备复杂、成本高昂或操作耗时等挑战。因此，开发一种快速、灵敏、简便且经济高效的THY检测平台，对于改善甲状腺癌的诊疗管理具有迫切的实际意义。

本文所报道的研究成果，发表在《Talanta Open》期刊上，正是针对这一需求而开展。研究人员巧妙地设计并构建了一种高灵敏度的夹心式电化学免疫传感（Sandwich-like Electrochemical Immunosensing， SLEM）平台。

为了开展这项研究，研究人员主要应用了以下关键技术方法：首先，合成了两种关键纳米复合材料——金纳米颗粒（Au NPs）修饰的ZIF-8金属有机框架（Au/ZIF）作为信号放大载体，以及芘功能化的β-环糊精（Py-β-CD）修饰的少量碳纳米管（FCNTs@β-CD）作为电极修饰和抗体固定载体。其次，利用差示脉冲伏安法（Differential Pulse Voltammetry， DPV）和电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy， EIS）对传感器的组装过程和分析性能进行表征。此外，研究还使用了扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对纳米材料的形貌与结构进行了表征。最后，通过标准添加法，利用来自当地医院的人血清样本，验证了该传感器在实际样本分析中的准确性。

3.1. Characterization of Au/ZIF and FCNTs@β-CD

研究人员首先对所合成的纳米材料进行了系统表征。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析，观察到ZIF-8 MOFs具有清晰的十二面体结构，边缘长度约为80纳米。在Au/ZIF纳米杂化物的TEM图像中，可以清晰看到直径约为1.8纳米的Au NPs均匀分布在ZIF-8表面，这与原始ZIF-8形成鲜明对比。电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）进一步量化了Au的负载量为7.6 wt%，共同证实了Au NPs在ZIF-8上的成功修饰。对于FCNTs@β-CD，TEM对比分析显示，原始FCNTs具有典型的管状结构，直径约为7纳米，而经过β-CD功能化后，外径增加至约8纳米，表明其表面成功被修饰。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）显示了β-CD的特征吸收峰，证实了β-CD通过π-π堆积作用固定在FCNTs上。水分散性测试进一步验证了杂化物的稳定性：原始FCNTs表现出严重的团聚和快速沉降，而FCNTs@β-CD则能形成稳定、均匀的深色分散体，这归因于β-CD的亲水性羟基降低了界面张力，防止了纳米管团聚。

3.2. Fabrication of SLEM platform

为了系统地表征SLEM平台的组装，研究人员进行了电化学阻抗谱（EIS）测试。结果显示，FCNTs@β-CD修饰的电极显示出可忽略的电荷转移电阻（R_ct），而依次修饰一抗（Ab₁）、THY抗原和信号放大复合物Fc-Au/ZIF-Ab₂后，R_ct值逐渐增加，这与生物大分子（THY和抗体）的绝缘性质一致，证实了SLEM的成功组装。为了验证平台的可行性，他们采用了灵敏度更高的差示脉冲伏安法（DPV）进行分析。DPV分析显示，在没有THY存在的情况下，FCNTs@β-CD-Ab₁修饰的电极在与Fc-Au/ZIF-Ab₂孵育后没有出现氧化还原峰；而在THY介导的夹心结构形成后，则出现了一个明显的Fc氧化峰。用缺乏Ab₁的传感器进行的对照实验显示电流响应极小，验证了特异性抗原-抗体相互作用驱动了Fc-Au/ZIF-Ab₂被THY/FCNTs@β-CD-Ab₁捕获，从而确认了该SLEM平台用于THY检测的可行性。

接下来，为了获得最佳的THY检测灵敏度，研究人员系统地优化了关键实验参数。包括FCNTs@β-CD分散液在电极上的滴加体积、缓冲溶液的pH值、以及THY与一抗（Ab₁）和二抗（Ab₂）的孵育时间。研究确定了14微升为FCNTs@β-CD的最佳负载体积，pH 7.0的磷酸盐缓冲液（PBS）能获得最大信号响应，THY与Ab₁和Ab₂的最佳孵育时间分别为20分钟和25分钟。

在优化的实验条件下，研究人员全面评估了该SLEM平台对THY的分析性能。DPV响应在0.5至150 ng/mL的THY浓度范围内呈浓度依赖性增强，线性校准方程为y = 0.3254 + 0.19x (R2 = 0.9358)，计算出的检测限（LOD）低至0.2 ng/mL。通过与先前报道的THY检测方法进行比较，该SLEM方法在线性范围和检测限方面优于大多数现有方法，特别是电化学方法，突显了其在痕量THY分析方面卓越的灵敏度和定量能力。

3.3. Specificity, stability, reproducibility and real samples analysis

为了验证SLEM传感器对THY的特异性，研究人员在优化条件下使用常见的干扰蛋白（人血清白蛋白HSA和纤维蛋白原Fbg）进行了对照实验。通过计算特异性系数（log K），得到的log K值分别为-2.84 (HSA)和-3.65 (Fbg)，证实了干扰极小，表明SLEM传感器对THY相对于结构相似的生物分子具有优异的选择性。

该传感器的长期稳定性通过在4°C下储存24天并监测电化学响应进行评估，结果显示信号衰减最小，证实了其在冷藏条件下具有稳健的储存稳定性。使用10个独立制备的传感器评估重现性，Fc氧化还原电流测量的相对标准偏差（RSD）为4.52%。这些发现共同证明了该SLEM平台具有出色的稳定性和制备重现性，这对于实际分析应用至关重要。

为了验证其在真实世界中的适用性，研究人员通过标准添加法评估了该SLEM方法，使用了从当地医院获得的人血清样本。将THY标准品系列稀释后加入血清基质中，依次记录免疫传感器的峰值电流以计算回收率。所得回收率在90.3%至94.4%之间，证实了该方法对抗基质干扰的稳健性，展示了该SLEM平台在复杂生物流体中准确量化THY的适用性。

综上所述，这项研究通过整合Au/ZIF作为信号放大器和FCNTs@β-CD作为生物识别载体，开发了一种新颖、灵敏的SLEM传感器用于THY检测。FCNTs@β-CD纳米杂化物实现了Ab₁的稳定固定，而Au/ZIF则促进了Ab₂的有效结合，从而形成了夹心式传感结构。在优化参数下，该平台实现了优异的分析性能，具有宽线性范围（0.5–150 ng/mL）和低检测限（0.2 ng/mL），优于大多数已报道的方法。结合优异的选择性、24天储存稳定性（4°C）、良好的重现性（RSD = 4.52%， n=10）以及可靠的血清样本回收率（90.3%–94.4%），这种SLEM策略在真实样本中进行THY定量检测方面展现出巨大的实际应用潜力。这项研究不仅为THY的灵敏检测提供了一种有效的新方法，也为基于纳米材料复合物的高性能生物传感器设计提供了有价值的思路。