丝素蛋白介导的聚四氟乙烯（PTFE）膜水性功能化：实现稳健的等离子体传感性能

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Silk Fibroin–Mediated Aqueous Functionalization of PTFE Membranes for Robust Plasmonic Sensing

通过真空辅助过滤将水基再生丝心蛋白（RSF）溶液应用于聚四氟乙烯（PTFE）膜，形成均匀的金纳米粒子涂层，实现高灵敏度检测环境污染物（如4-硝基酚）。该蛋白介导的方法可 scalably 转化惰性膜为高性能传感界面。

　　

金泰勋 | 朴俊勇

塔夫茨大学生物医学工程系，美国马萨诸塞州梅德福德

摘要

对化学惰性基底进行功能化仍然具有挑战性，因为传统的活化方法（如氧等离子体处理或真空沉积）需要昂贵的设备，并且在高条件下可能损害基底的结构完整性。天然存在的两亲性蛋白质提供了一种环保的替代方案，它们能够自发地吸附在各种固体表面上。在这里，我们报告了一种简单快捷的方法，使用从蚕茧中提取的水基再生丝纤维蛋白（RSF）溶液，并通过真空辅助过滤来对聚四氟乙烯（PTFE）膜进行功能化。两亲性RSF能够在毫秒级时间内快速且均匀地吸附在PTFE的天然多孔结构上，从而选择性地调节表面能同时保持孔隙形态。随后对含有金纳米粒子（Au NP）的水分散液进行过滤，可以得到致密且均匀的涂层（表面覆盖率约为65%），并且在多个膜上具有出色的重复性。所得到的Au NP–RSF@PTFE膜作为出色的等离子体传感基底，表现出高光谱均匀性（相对标准偏差<5%），并且能够定量检测低至10^-7 M的4-硝基酚和噻虫嗪。这种基于蛋白质的方法为将化学惰性膜转化为高性能的等离子体和环境传感界面提供了一种可扩展、可持续且应用广泛的途径。

引言

像聚四氟乙烯（PTFE）这样的化学惰性基底由于其优异的化学耐受性、热稳定性和超低表面能，被广泛用于恶劣环境下的过滤、微流控、分离和传感[1]、[2]、[3]。这些特性使得PTFE成为化学和生物传感设备的理想选择，尤其是在需要机械强度和化学惰性的情况下[4]、[5]。在这些平台上，使用纳米粒子（NPs）对表面进行功能化是一种赋予催化、光学或等离子体活性的有效方法，这对于传感应用中的信号转导至关重要[6]、[7]。

然而，由于PTFE的表面能较低，导致润湿性差和粘附力弱，因此在PTFE上可靠且高密度地固定纳米粒子仍然很困难[8]。为了解决这个问题，人们开发了多种工程策略来调节PTFE的表面能。基于等离子体的活化方法（例如O2、Ar、H2或CO2等离子体）已被广泛研究，用于引入瞬态极性基团或部分去除PTFE表面的氟[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。化学接枝或聚合物接枝方法（如湿法蚀刻、接枝聚合或自由基聚合）也被用来将亲水或功能性大分子引入PTFE[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。仿生合成涂层，尤其是多巴胺，也被用来通过通用粘附性改变PTFE的润湿性[20]、[21]。然而，这些方法往往会导致不可逆的物理化学损伤，改变PTFE的天然微观/纳米结构，并且需要多步骤预处理、高真空系统或腐蚀性试剂。这些缺点，加上环境和可扩展性的问题，限制了它们在成本效益高的一次性传感器制造中的应用[22]、[23]。因此，一种简单快捷的水基方法来对化学惰性基底进行功能化同时保持其天然结构仍然是一个未解决的问题。解决这一难题将有助于实现可扩展和可持续的传感平台制造，将惰性基底的化学稳定性与可调的界面性能结合起来，以便于纳米粒子的附着和信号转导。

已知蛋白质可以通过疏水相互作用自发且非特异性地吸附在疏水性氟聚合物表面上[24]、[25]。这种吸附过程发生得很快，通常几分钟内就能达到饱和，表明蛋白质吸附可以作为一种简单、快速且能量上有利的途径来调节化学惰性基底的界面能。尽管这种吸附行为早已被认识到，但通过控制蛋白质吸附来定量调节PTFE表面性能的能力尚未得到系统研究。再生丝纤维蛋白（RSF）是一种由亲水块和疏水块交替组成的两亲性蛋白质[26]、[27]，为表面改性提供了一种生物来源的解决方案。RSF可以通过疏水作用、氢键作用或静电作用自发地吸附在各种固体表面上[28]、[29]、[30]，形成超薄层，同时保持原有的微观和纳米结构并改变表面能。RSF的吸附涉及构象转变、电荷重新分布和分子紧密堆积，这些共同作用可以精细调节基底的表面能[31]。虽然之前的研究主要利用丝纤维蛋白的两亲性来控制润湿性或实现水基纳米制造，但其作为通用蛋白质介导的方法在化学惰性膜上进行等离子体表面工程的潜力尚未得到系统研究。

在这项研究中，我们提出了一种通过真空辅助吸附RSF来对PTFE膜进行功能化的简单快捷策略（图1）。定量光谱和力测量直接证明了在简单真空过滤过程中RSF在PTFE膜上的自发吸附。这种水基方法能够在保持膜天然多孔结构的同时，精确地调节表面能。由此产生的RSF涂层作为分子桥梁，实现了纳米粒子的密集均匀固定，为环境污染物（如4-硝基酚或噻虫嗪）的定量表面增强拉曼散射（SERS）检测提供了可靠的等离子体基底。这项工作建立了一个可扩展且环保的平台，利用天然存在的两亲性蛋白质作为通用表面改性剂，从原本惰性的材料中工程化出具有传感活性的表面。

材料

蚕茧（Bombyx mori）由Tajima Shoji（日本）提供。碳酸钠（Na2CO3）、溴化锂（LiBr）、三水合氯化金(III)（HAuCl4·3H2O）、二水合柠檬酸三钠（Na3C6H5O7·2H2O）、4-硝基酚（4-NP）、噻虫嗪（四甲基硫脲二硫化物）、乙二醇、二甲基亚砜、二碘甲烷以及真空过滤装置均从Sigma-Aldrich购买。聚四氟乙烯（PTFE）膜盘（孔径0.22 μm）和Micro-BCA蛋白测定试剂盒也是从该公司购买的。

通过丝纤维蛋白实现快速且浓度依赖的表面能调节

当PTFE膜暴露于水基RSF溶液中时，会发生蛋白质的自发吸附。这种均匀的RSF涂层能够根据浓度调节界面能，同时保持基底的天然微/纳米多孔结构（图2）。

在分子层面上，RSF包含非极性残基（Gly、Ala、Val）和极性残基（Ser、Tyr、Thr、Glu、Asp）[34]。这种成分多样性使得RSF成为一种能够与多种固体相互作用的两亲性嵌段共聚物。

结论

我们展示了一种简单快捷的蛋白质介导的方法，通过真空辅助吸附从蚕茧中提取的再生丝纤维蛋白（RSF）来对化学惰性的PTFE膜进行功能化。这种水基工艺能够快速形成均匀的RSF涂层，精细调节表面能而不改变基底的自然多孔结构。两亲性蛋白质层作为纳米粒子附着的分子桥梁，从而实现了致密且均匀的金纳米粒子涂层。

CRediT作者贡献声明

金泰勋：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构思。朴俊勇：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（NRF-2022M3H4A1A04068923），该资助由科学技术信息通信部（MSIT）提供；同时得到了区域创新系统与教育（RISE）-（区域增长创新实验室）计划的支持，该计划由教育部（MOE）和庆尚北道政府（2026-rise-15-105）共同资助。

金泰勋是西北大学Querrey Simpson生物电子研究所的博士后研究员。他于2024年在塔夫茨大学获得生物医学工程博士学位。他的研究兴趣包括丝纤维蛋白、纳米制造和软电子学。