类似花朵结构的ZIF-L@Au纳米复合体，具备增强富集效果的功能，可用于表面增强拉曼散射（SERS）技术检测肺癌挥发性有机化合物（VOC）生物标志物

《Analytica Chimica Acta》：Flower-like ZIF-L@Au NTs composite integrated with enrichment-enhancement ability for SERS detection of lung cancer VOC biomarker

肺癌早期诊断中，基于ZIF-L@Au NTs核心-壳结构的SERS平台通过金属有机框架气体富集与纳米三角金增强效应协同实现亚ppm级4-ethylbenzaldehyde检测，突破传统SERS灵敏度限制。

　　

严晓娟|翁国军|朱健|李建军|赵俊武

中国西安交通大学生命科学技术学院，教育部生物医学信息工程重点实验室，西安西宁西路28号，710049

摘要

背景

人类呼出气体中的挥发性有机化合物（VOCs）可作为分子指纹，反映代谢失调情况，并能指示肺癌等疾病的发病和进展。表面增强拉曼散射（SERS）技术凭借其高灵敏度、分子特异性以及对湿度的耐受性，为呼吸分析提供了一种有前景的方法。然而，呼出生物标志物的拉曼活性本身较弱，且气体在固体基底上的吸附效果不佳，这些因素仍限制了其实际应用。因此，开发一种基于SERS的呼吸传感器至关重要，该传感器需要同时具备信号放大、气体富集、快速操作和成本效益等优点。

结果

本研究提出了一种基于核壳结构ZIF-L@Au纳米颗粒（ZIF-L@Au NTs）的新型超灵敏SERS传感平台，该平台集成了高灵敏度、选择性和快速检测能力。作为等离子体核心的各向异性金纳米三角形（Au NTs）具有优异的结构稳定性和强的电磁场增强效应。外层的ZIF-L金属有机框架（MOF）壳层能够选择性吸附和预富集目标分析物，其限制效应进一步放大了SERS信号，显著提高了检测灵敏度。结果，该系统能够在10^-4至10^-8 M的浓度范围内可靠地定量4-乙基苯甲醛，检测限可达到亚ppm级别，同时具有高稳定性和重复性。对潜在肺癌生物标志物4-乙基苯甲醛的模拟检测证明了该平台的强大富集能力和出色的传感性能。

意义

本研究采用抗坏血酸导向策略构建了类似花朵结构的ZIF-L，并首次将金纳米三角形与金属有机框架结合到核壳结构的ZIF-L@Au NTs SERS平台中。基于MOF的气体富集效应、尖端等离子体热点以及4-ATP/醛类化学反应的协同作用，使得能够实现呼出气体中4-乙基苯甲醛的亚ppm级别检测，为非侵入性呼吸诊断开辟了一条有前景的途径。

引言

肺癌是全球范围内最常见且致命的恶性肿瘤之一，对公共卫生构成重大威胁[1]。早期患者的五年生存率明显高于晚期患者[2]；然而，早期肺癌通常无症状，导致诊断延迟。现有的筛查方法（如胸部X光、PET-CT[3]、血清肿瘤标志物检测[4]和支气管镜检查[5]）存在灵敏度低、成本高和侵入性强的局限性，限制了其在早期检测中的应用。相比之下，呼出气体分析是一种非侵入性、便捷且信息丰富的替代方法[6]，成为早期肺癌筛查的有希望的策略。最近的研究发现，肺癌患者呼出气体中的醛类挥发性有机化合物（VOCs）水平升高，表明它们可能作为早期诊断的生物标志物[7]。

然而，由于呼出生物标志物的浓度极低以及呼出气体样本的高湿度，其有效检测仍然具有挑战性，这限制了传统分析技术的应用效果。表面增强拉曼散射（SERS）技术作为一种分子指纹技术，具有超高灵敏度、快速检测速度、操作简便性和对水干扰的强抵抗力，使其在生物医学和临床应用中的微量分子分析中极具潜力[8]、[9]、[10]。此外，与标准气体检测技术（如气相色谱-质谱法（GC-MS）和选择性离子流管质谱法（SIFT-MS）[11]相比，SERS操作更为简化且成本效益更高。

通常情况下，只有当分析物分子位于具有纳米级粗糙度的金属纳米结构的表面“热点”内时，拉曼信号才会显著增强[12]。但在气相中，由于分子密度低、布朗运动强烈以及扩散动力学快，气体分子在金属表面的吸附受到严重限制。这些因素成为SERS在呼出气体诊断中实际应用的主要障碍。为此，可以使用多孔材料来促进气体分子在表面的聚集，从而提高气体传感器的灵敏度[13]。金属有机框架（MOFs）因其独特的网络结构、高孔隙率、大比表面积和优异的稳定性[14]、[15]、[16]，被认为是一类有价值的SERS气体传感多孔材料。

目前，MOFs可以与纳米颗粒结合，构建多种基于SERS的气体传感混合结构。例如，Xiu等人[17]采用液相浸渍法在MIL-101的多孔腔体内原位还原金属前驱体，实现了甲苯的6 ppm和4-乙基苯甲醛的5 ppm检测限。然而，这种方法可能导致前驱体在MOFs外部表面聚集，从而堵塞孔隙并造成形态异质性。此外，Wu等人在UiO-66表面修饰了Au纳米颗粒，但纳米颗粒在孔内的意外沉积减少了MOF的可用表面积，这对气相检测应用是一个明显的缺点。相比之下，核壳结构具有更好的结构稳定性、可控的壳层厚度和更可靠的合成重复性。MOF壳层不仅能够高效吸附和富集分析物，还能保护纳米颗粒免受氧化或聚集，从而提高稳定性和可靠性。这些特性使得基于核壳结构的MOF基底特别适合VOC传感。例如，Koh等人[19]设计了一种基于沸石咪唑框架（ZIF）包裹的Ag纳米立方体（Ag@ZIF）的等离子体传感器，实现了非吸附VOCs的亚ppm级别超痕量检测。Zhang等人[20]通过逐层生长工艺制备了被MIL-100(Fe)包裹的Au纳米星，分别实现了2-丁酮、桉叶油醇和异丙醇的检测限约为4.87 ppm、3.07 ppm和8.26 ppm。实际上，实现亚ppb级别的检测仍然极具挑战性，大多数报道的SERS平台仍限于ppm级别的灵敏度，除非采用复杂或高度工程化的结构。Li等人[21]设计了基于ZIF-8涂层的金超颗粒（GSPs@H-ZIF-8）的SERS基底，实现了4-乙基苯甲醛的21.2 ppb检测限。值得注意的是，迄今为止，尚未有研究将Au NTs与MOFs结合用于构建SERS基底，尽管Au NTs具有独特的电磁场限制效应和尖端等离子体效应。

在此背景下，我们开发了一种基于核壳结构ZIF-L@Au NTs的SERS检测平台。该平台采用各向异性金纳米三角形（Au NTs）作为等离子体核心，提供强的稳定电磁场增强效果。外层ZIF-L壳层具有高表面积和多孔结构，能够高效吸附和富集目标分子，其限制效应放大了拉曼信号并减少了咖啡环效应。此外，Au NTs表面预先功能化处理了拉曼报告分子4-氨基噻吩酚（4-ATP），该分子通过与醛类发生亲核加成反应形成亚胺产物，从而产生明显的拉曼光谱位移，实现高灵敏度和选择性的醛类检测。当该检测系统与便携式拉曼光谱仪结合使用时，可为肺癌早期诊断提供实时、非侵入性和成本效益高的醛类生物标志物识别方法。

材料

十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）、三水合氯化金(III)（HAuCl?·6H?O，99.9%）、碘化钠（≥99.5%）、硼氢化钠（NaBH?，99%）、六水合硝酸锌（Zn(NO?)?·6H?O，99%）、2-甲基咪唑（2-MI，99%）和L-抗坏血酸均购自Aladdin（中国上海）。所有实验中使用的是Milli-Q纯水（18.2 MΩ cm?1）。所有玻璃器皿均用王水清洗，然后用纯水冲洗，再用Milli-Q纯水超声处理三次（每次3分钟），使用前进行干燥。

Au NTs的合成与纯化

ZIF-L@Au NTs的制备与表征

基底制备过程如图1所示，成功制备出了ZIF-L@Au NTs。通过种子介导的生长方法合成的Au NTs具有均匀的形状和高纯度，透射电子显微镜（TEM）图像（图2a-c）证明了这一点。它们的尺寸分布较窄，平均长度为82.04 ± 0.53 nm。如图2d所示，SEM图像显示ZIF-L呈现出独特的花朵状结构

结论

总结来说，我们开发了一种可靠且简便的SERS策略，用于制备用于检测气体分析物的核壳结构MOF基底。得益于Au NTs核心的强等离子体增强效应和多孔ZIF-L壳层对气体分子的有效富集作用，所得到的核壳结构ZIF-L@Au NTs对4-乙基苯甲醛表现出高度敏感的SERS响应，检测限可达到亚ppm级别。此外，该基底还展示了...

作者贡献声明

翁国军：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法学、资金获取、概念构思。朱健：监督、方法学、数据管理、概念构思。李建军：监督、方法学、概念构思。赵俊武：监督、资源管理、项目执行、资金获取、概念构思。严晓娟：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、正式分析、数据管理、概念构思

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号62375213和62275214）的支持。