双金属MOF衍生的氮掺杂碳框架，经过CdS修饰后，实现了基于电化学发光的分辨电位的手性鉴别与手性检测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Bimetallic MOF-derived nitrogen-doped Carbon Framework Decorated with CdS Enables Potential-Resolved Electrochemiluminescence for Chiral Discrimination and Chiral Sensing

双电位电化学发光平台通过CdS/Cu-Co/CNC纳米复合材料与DAAO酶协同作用，实现氨基酸旋光异构体的双信号比色分析，检测限达0.007 nM，选择性系数3.0-3.8。

　　

田婷婷|陈丽霞|李太光|李向军

中国科学院化学科学学院，北京，100049，中国

摘要

基于双信号响应的势能分辨电化学发光（potential-resolved electrochemiluminescence, p-ECL）技术在手性分析中因出色的准确性和抗干扰能力而受到广泛关注。本文开发了一种基于单一鲁米诺溶解氧（luminol-dissolved O₂）系统中的双势能分辨ECL（p-ECL）的比率传感平台。该平台使用了由双金属金属有机框架（bimetallic MOF）衍生的氮掺杂碳框架，并涂覆了CdS（CdS/Cu-Co/CNC）作为双功能催化剂，同时利用D-氨基酸氧化酶（DAAO）作为手性识别探针。具体而言，CdS催化溶解氧的電化學還原，而DAAO在氧的参与下对映选择性地生成H₂O₂，随后Cu-Co/CNC有效催化H₂O₂的分解。在三种过程的协同催化作用下，ECL传感器在鲁米诺溶解氧系统中表现出阴极和阳极ECL发射，并具有良好的稳定性。p-ECL发射强度随分析物浓度的增加而呈相反趋势，从而实现了丙氨酸对映体（D/L-Ala）的比率定量检测和双信号对映体识别。该传感器的比率定量检测限分别为D-Ala为0.48 nM，L-Ala为0.007 nM，对映选择性系数（I_D/I_L）分别为3.0和3.8。这种方法通过双ECL信号反转提供了一种新的抗干扰手性分析范式，有效解决了生物基质效应带来的挑战。

引言

手性氨基酸是生物系统中的基本分子单元[1]、[2]。L-氨基酸构成蛋白质并执行几乎所有生理功能，而D-氨基酸仅以微量存在，且功能有限[3]、[4]。例如，L-丙氨酸（L-Ala）是内源性蛋白质的核心成分，其D-对映体（D-Ala）在细菌细胞壁合成和哺乳动物神经调节中起关键作用。最近的研究表明，体液中（如血清、脑脊液）D-丙氨酸浓度的动态变化与多种疾病相关[5]。例如，帕金森病患者的脑内D-丙氨酸水平显著升高，而异常的血清D/L-Ala比值与抑郁障碍有关[3]。选择性定量检测微量D-丙氨酸可以为疾病早期诊断、治疗评估和预后评估提供关键分子标志物。然而，由于手性氨基酸的对映体在物理化学性质上的微妙差异，其分析仍具有挑战性。此外，生物基质中的复杂干扰容易导致传统检测方法出现假阳性信号[6]、[7]、[8]。因此，开发高特异性和准确性的快速手性传感平台变得十分紧迫[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。

电化学发光（ECL）是一种由电化学反应引发的发光现象[18]、[19]、[20]，它结合了电化学的灵敏度和可重复性与化学发光的高信噪比，成为一种有前景的手性分析技术。与传统方法相比，ECL具有用户友好性、响应迅速和样品制备简单的优点。双势能分辨ECL（p-ECL）通过双信号和比率型响应进一步提高了分析的准确性和定量能力[21]、[22]、[23]。大多数p-ECL方法使用两种不同的发光物质及其相应的反应物[24]、[25]、[26]，或者通过添加不同的反应物实现单一发光物质的多次ECL发射[27]。然而，现有系统面临光谱分离不佳、界面修饰复杂以及反应物交叉反应等问题。因此，开发由单一发光物质和反应物控制的p-ECL系统是非常有意义的。

在各种发光物质中，鲁米诺因其高发光效率和优异的稳定性而受到广泛关注[28]、[29]。鲁米诺的ECL行为取决于反应物的选择，包括H₂O₂和O₂及其相应的催化剂。例如，鲁米诺-H₂O₂系统在贵金属纳米颗粒（如Pt或Au）或酶（如辣根过氧化物酶HRP）的催化下会产生强烈的阳极ECL[30]、[31]。相比之下，溶解氧作为一种天然的反应物，具有普遍性、无毒性和稳定性，可通过催化的氧还原反应（ORR）促进阴极ECL[32]、[33]。鲁米诺溶解氧系统的ECL发射强度严重依赖于通过ORR生成的活性氧（ROS）的效率，这可以通过O₂ → O₂^•- → H₂O₂（两电子转移）或O₂ → O₂^•- → H₂O₂ → •OH → H₂O（四电子转移）实现。显然，四电子转移途径能生成更多的ROS，有利于基于鲁米诺的p-ECL。然而，ORR的高效率受到能量障碍和复杂的多电子转移过程的限制[35]、[36]。鉴于两种途径都能生成H₂O₂，因此设计了双功能催化剂，旨在通过加速ORR产生ROS/H₂O₂以实现阴极发射，并有效分解H₂O₂以释放ROS实现阳极发射。

我们之前的研究表明，电化学还原的硫化镉（CdS）通过加速ORR显著增强了鲁米诺溶解氧系统的阴极ECL发射[37]。作为n型半导体，CdS的导带（CB）电位低于O₂/O₂^•-对的标准氧化还原电位。在阴极极化下，电子在CdS的导带中积累，并高效转移到溶解氧上，从而促进活性氧的生成。为了获得更显著的p-ECL响应，需要进一步提高ORR效率并精确调控ROS的生成和转化。金属有机框架（MOF）化合物由于其可调结构和丰富的活性位点，在电催化方面表现出巨大潜力[38]。特别是，MOF衍生的催化剂中的双金属协同作用（如铜、钴）为高效的ORR催化和H₂O₂分解提供了理想平台[39]、[40]、[41]。值得注意的是，将这类MOF基材料与高对映选择性的生物酶结合，可以实现对手性分子的精确识别并促进信号转导。例如，D-氨基酸氧化酶（DAAO）在催化特定底物转化的同时消耗O₂生成H₂O₂，这与鲁米诺ECL系统中的反应物循环密切相关[42]、[43]。调控ROS生成并调节其对ECL发射的影响为设计双信号手性传感器开辟了新途径。

在手性ECL传感中，将手性识别事件高效转化为可测量的光电信号是核心挑战。传统手性探针通常受限于狭窄的识别机制、不足的对映体分辨率和低灵敏度[44]、[45]。相比之下，基于酶的策略利用其独特的三维构象和底物结合能力实现高效的对映体区分。此外，酶催化的O₂与H₂O₂之间的转化提供了与纳米催化剂耦合的理想机制，促进ROS的生成和转化[43]。这种协同效应使得阴极和阳极ECL信号能够同步调节，从而开发出高灵敏度和选择性的手性传感平台。

在本研究中，提出了由CdS（CdS/Cu-Co/CNC）修饰的双金属MOF衍生的氮掺杂碳框架作为双功能催化剂，并利用单一发光物质和反应物（鲁米诺溶解氧系统）开发了用于手性氨基酸检测的p-ECL平台。CdS与纳米级双金属MOF衍生物之间的协同催化显著提高了ROS的循环利用效率，实现了同一电极上的高信噪比阴极和阳极发射。为了实现选择性手性氨基酸识别，采用了DAAO作为手性探针。它与调控ROS的纳米催化剂的结合实现了双信号ECL响应，从而推进了基于p-ECL的手性分析，提供了一种快速、灵敏的检测方法。

试剂

醋酸镉购自Macklin Inc.（中国上海）；硫代乙酰胺购自华为瑞凯化工有限公司（中国北京）；乙二醇、硫酸（98%）、H₂O₂（30%）和氢氧化钠均购自中国医药化学试剂有限公司（北京）；无水乙醇购自Mreda Technology Co., Ltd.（北京）；Nafion、D-Ala、L-Ala、KCl、磷酸二氢钠二水合物、十二水合磷酸二钠、六氰合铁酸钾

纳米材料表征

CdS/Cu-Co/CNC复合材料是通过水热法在150 °C下合成的，使用L-半胱氨酸作为连接剂，先将经过退火的Cu-Co-ZIF衍生的碳与醋酸镉和硫脲超声混合后制备。通过SEM、HRTEM和EDS研究了CdS/Cu-Co/CNC复合材料的微观结构。如图1a和b所示，Cu-Co/CNC显示出均匀的四方形态和光滑的表面。CdS功能化后，SEM图像（图1c）证实了CdS

结论

本研究实现了在纳米级CdS/Cu-Co/CNC纳米复合材料和生物来源的DAAO协同催化下的鲁米诺-O₂系统的p-ECL发射。在ECL过程中，CdS增强了溶解氧的電化學還原，DAAO介导了Ala对映体的对映选择性催化过程中O₂向H₂O₂的转化，而Cu-Co/CNC实现了H₂O₂的高效催化分解。该系统在手性分析领域取得了重要进展

CRediT作者贡献声明

李太光：软件开发、数据分析。 李向军：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法学研究、资金获取。 田婷婷：撰写 – 审稿与编辑、方法学研究、实验设计、数据分析。 陈丽霞：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、验证、方法学研究、资金获取。

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的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22174143）和山东省自然科学基金（ZR2024QB179）的资助。

支持信息

合成了材料的XPS精细光谱、UV-vis吸收光谱，以及Cu-Co/CNC催化的TMB氧化的Michaelis?Menten曲线非线性拟合结果，同时还比较了近期报道的ECL手性传感器的性能。

作者声明

作者声明他们没有已知的财务利益或

田婷婷在中国科学院化学科学学院获得博士学位。目前，她在北京大学口腔医学院修复学系数字牙科中心担任博士后研究员。她的研究兴趣主要集中在纳米酶、电化学传感器和电化学发光（ECL）分析领域。