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谷胱甘肽电化学传感器开发与验证；铜修饰金属有机框架；信号-off机制；氯离子环境；生物样品检测
Chanida Jakkrawhad|Christopher Batchelor-McAuley|Supinya Nijpanich|Kamonwad Ngamchuea
泰国那空拉差西玛府苏拉纳瑞科技大学理学院化学系，大学大道111号，邮编30000
摘要
L-谷胱甘肽（GSH）是一种关键的抗氧化剂和氧化应激的生物标志物。本文报道了一种基于铜功能化的金属有机框架（Cu(II)@MIL-100(Fe)）作为活性传感层的“信号关闭”型电化学传感器，用于检测GSH。Cu(II)@MIL-100(Fe)通过简单的湿化学方法合成，TEM-EDS、SEM-EDS、XRD、FTIR和XPS证实铜已有效掺入MOF结构中。在富含氯离子的环境中（例如80 mM Cl?，pH 6.5），该系统表现出强烈的、稳定的电化学信号，这对应于Cu(I)-Cl中间体的形成。加入GSH后，由于GSH与Cu位点的竞争性结合以及Cu–GSH复合物的形成，该信号呈浓度依赖性下降。在优化条件下，该传感器的检测范围为3 nM至100 μM，检测下限（3S?/m）为0.2 nM。该传感器对GSH具有高选择性，可有效区分常见的生物干扰物，包括氨基酸、代谢物、离子和蛋白质。该传感器成功应用于补充剂产品和人血清样本中的GSH定量分析，回收率分别为98.69–100.05%和98.90–101.02%，并通过标准分光光度酶法进行了验证。
引言
谷胱甘肽是一种三肽，在细胞健康中起着至关重要的作用，因其具有抗氧化特性。它以两种形式存在：还原型（GSH）和氧化型（GSSG）。其半胱氨酸残基上的巯基负责其抗氧化活性，通过捐赠电子来中和活性氧和自由基[1]。这一过程将GSH转化为GSSG，因此GSH与GSSG的比率是氧化应激的关键指标。除了抗氧化功能外，谷胱甘肽还对免疫功能、凋亡调节和解毒至关重要。谷胱甘肽水平的失衡与多种疾病有关，包括神经退行性疾病、心血管疾病、肝脏疾病以及癌症和糖尿病。因此，准确测量GSH水平对于诊断和监测这些疾病至关重要[2][3]。
存在多种传统的GSH检测和定量方法，每种方法都有其优缺点。分光光度法（如Ellman法）易于使用，但在复杂基质中缺乏目标特异性[4]。高效液相色谱（HPLC）和毛细管电泳具有更高的灵敏度和分辨率，但需要专用设备和复杂的样品预处理[5][6]。质谱法，特别是与液相色谱（LC-MS/MS）联用时，因其准确性和特异性而被视为金标准，但其高昂的成本和复杂性限制了其常规应用[7]。这一关键需求推动了先进电化学传感器的研发，后者提供了更快、更经济且更便携的解决方案[8][9]。
电化学方法已成为有效的GSH检测工具；然而，它们向实际应用的转化并非易事。早期的酶传感器（如固定在氧化石墨烯上的漆酶[10]）虽然具有较高的选择性，但由于生物受体的天然不稳定性，长期稳定性有限。因此，非酶电催化传感器成为更优的选择，因为它们具有更好的稳定性、更低的成本和更高的重复性[11]。尽管如此，直接检测GSH仍然具有挑战性，因为需要较高的阳极电位[12]，这会增加背景电流并受到抗坏血酸和尿酸等电活性物质的强烈干扰[13]。此外，这些高电位会导致GSH不可逆的过度氧化，从而引起电极污染和重复性下降[14]。因此，当前的研究重点在于设计低电位电催化剂，以最小化非特异性氧化并提高界面选择性。
基于铜的纳米材料因其能够在多种氧化状态之间循环并与巯基形成强配位键而成为GSH检测的极具吸引力的候选材料[15][16]。其中，Cu(OH)?表现出良好的电催化性能，其纳米结构提供了丰富的活性位点，促进了电子转移并降低了所需的氧化电位，使得Cu–巯基相互作用更加高效[17]。然而，其结构不稳定性和相对较低的导电性仍限制了其长期性能。为了克服这些限制，该领域正迅速向结构更稳定的铜复合材料和框架材料发展[18]。最新的研究趋势越来越多地使用金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs），它们的多孔晶体结构提供了高表面积、可调性质和高效的电子转移，以实现高性能检测[19]。最近的研究还采用了比率双信号检测技术，例如在N掺杂多孔碳中的铁茂金属氧化物（Cu-MOFs）或CuNPs[20][21]，以实现超低检测限。
在这项工作中，我们提出了一种新型的“信号关闭”型电化学传感器，使用铜功能化的MIL-100(Fe)（Cu(II)@MIL-100(Fe)）作为活性传感层。尽管铜与巯基之间的基本热力学亲和性已被研究[22][23]，但传统的非酶铜传感器仍存在高操作电位的问题，这会导致来自共存电活性物质的严重干扰，以及在水环境中的结构稳定性差。为了克服这些关键限制，我们的设计采用了双重创新策略。
首先，我们没有依赖GSH的直接高电位氧化，而是采用了一种由氯离子-巯基竞争性结合驱动的传感机制。通过在富含氯离子的环境中操作，我们在接近零的电位下建立了非常稳定的Cu(I)-氯基基线信号。因此，GSH的检测是通过巯基对氯离子的热力学驱动置换来实现的，完全避免了导致电极污染和非特异性氧化的高阳极电位。其次，通过将Cu(II)活性位点战略性地结合到高度水稳定的介孔MIL-100(Fe)框架中，而不是使用本质上不稳定的直接Cu-MOFs，我们避免了框架的降解，同时保持了分析物的快速扩散。这种低电位竞争性结合机制与坚固的、分层多孔MOF支撑的协同作用，形成了一个高效的电催化平台，显著提高了GSH在复杂生物基质中的选择性、灵敏度和实际稳定性。
部分内容摘录
Cu(II)@MIL-100(Fe)的合成
首先，在100 mL特氟龙内衬的高压釜中，将2.4 mmol的三聚酸（H?BTC）溶解在20 mL蒸馏水中，然后在室温下剧烈搅拌20分钟。接着加入3.6 mmol的FeCl?·6H?O，继续搅拌20分钟。将特氟龙内衬的不锈钢高压釜密封并在150°C下加热12小时。收集所得的红棕色颗粒并通过蒸馏水洗涤。
基于MOF的传感层的形貌
MIL-100(Fe)、Cu(OH)?和Cu(II)@MIL-100(Fe)的形貌和结构通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和能量分散X射线光谱（EDS）进行了表征。原始的MIL-100(Fe)（图1a,e）显示出典型的多面体颗粒特征，这些颗粒可能是由于加工过程中部分结构崩塌而略微聚集[31]。TEM显示颗粒堆积松散，对比度较低，这与……结论
本研究开发的基于Cu(II)@MIL–100(Fe)的电化学传感器通过Cu中心的氯离子-巯基竞争性结合实现了高灵敏度、选择性和可靠的GSH检测。“信号关闭”机制确保了Cu物种在MIL–100(Fe)框架内的成功掺入，并阐明了Cu(I)-Cl和Cu–GSH复合物在抑制氧化还原信号中的作用。
CRediT作者贡献声明
Kamonwad Ngamchuea：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念构思。Supinya Nijpanich：资源获取、实验研究。Christopher Batchelor-McAuley：撰写 – 审稿与编辑、监督、数据分析。Chanida Jakkrawhad：撰写初稿、数据可视化、方法学、实验研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们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（i）苏拉纳瑞科技大学（SUT），（ii）泰国科学研究与创新机构（TSRI）以及（iii）国家科学与研究创新基金（NSRF）（NRIIS编号215530）的支持。C. J. 感谢泰国皇家政府“科学技术人才发展与培养”项目（DPST）的财政支持。K. N. 感谢英国皇家化学学会（RSC）的“研究员合作资助”（C23-3277776951）。
Chanida Jakkrawhad是泰国苏拉纳瑞科技大学理学院化学系的博士生。
