通过自催化诱导的发光放大和双功能生物肽实现的超灵敏生物传感平台，用于免疫分析

《Biosensors and Bioelectronics》：Ultrasensitive biosensing platform via self-catalytic-induced luminescence amplification and bifunctional biopeptides for immunoassay

基于双功能肽HKC和自催化增强型AuAgTb-MOF的ECL检测系统构建，实现了血清中CA242的痕量检测（检测限3.38×10^-5 U/mL），通过天线效应、催化效应和导电性协同增强发光信号，同时采用HKC实现抗体定向固定和抗干扰表面修饰。

　　

毛书飞|宋金豪|赵璐|王佳|宋先珍|丁彩峰

教育部光电传感与分析化学生命科学重点实验室，山东省生物化学分析重点实验室，山东高校分析化学生命科学重点实验室，青岛科技大学化学与分子工程学院，中国青岛市266042

摘要

传感器的输出信号与其检测灵敏度密切相关，而发光材料的选择以及检测介质中干扰物质的存在都可能影响输出信号。在本研究中，通过整合识别（HWRGWV）、电荷中和（DE）、抗污染（DKDKDKDK）和锚定（C）片段，设计了一种具有抗体靶向固定和界面抗污染特性的双功能肽（HWRGWVDEDKDKDKC），使得构建的生物传感界面具有高目标捕获效率和良好的抗污染能力。同时，开发了具有多重协同放大效应的AuAgTb-MOF作为发光体。具体来说，3,5-二羧基苯硼酸对Tb³⁺的天线效应、Au纳米粒子对S₂O₈^2-的催化作用以及Au纳米粒子的导电性显著促进了AuAgTb-MOF的发光。分子内自增强型AuAgTb-MOF的设计不仅减少了能量传输损失，还简化了生物传感平台的构建。基于此，构建的生物传感器具有10^-4至10³ U/mL的宽检测范围和3.38 × 10^-5 U/mL的检测限（IUPAC标准），实现了对胰腺癌标志物的灵敏和精确检测，为胰腺癌的临床诊断提供了积极的参考。

引言

胰腺癌是一种高度致命的疾病，其死亡率接近发病率，这主要是因为大多数患者在晚期之前没有明显的症状（Luo等人，2020年）。碳水化合物抗原242（CA242）在胰腺癌患者的血清中过度表达，具有高灵敏度和特异性，使其成为早期临床诊断和预后评估的理想标志物（Dong等人，2018年）。因此，需要开发一种有效的方法来微量监测血清中的CA242，从而实现胰腺癌的灵敏和准确诊断。其中，电化学发光（ECL）技术由于其高灵敏度、低背景干扰和快速响应速度，是检测CA242的理想选择（Qi和Zhang，2019年）。

在传感分析中，一些不利因素的存在限制了生物传感器的检测性能和实际应用能力。首先，由于物理吸附和共价结合导致的抗体在传感界面上的锚定位点的随机性显著影响了抗体的抗原结合活性，从而降低了目标捕获效率和检测灵敏度（Ham等人，2013年；Bai等人，2022年）。其次，血清介质中的大量干扰物质会在传感界面上引起非特异性吸附，降低检测结果的可靠性和生物传感器的使用寿命（Makaraviciute和Ramanaviciene，2013年）。为了解决这两个关键问题，可以设计适当的传感策略，以实现抗体的靶向固定和在复杂检测介质中的抗干扰吸附。一方面，肽亲和配体可以特异性识别并固定抗体的Fc片段，避免占据抗原结合位点（Fab片段），从而提高目标的捕获能力（Liu等人，2020年；Dostalova等人，2016年）。另一方面，建立抗污染屏障可以有效抵抗血清中干扰物质的非特异性吸附，而肽由于其强水合性、高可设计性和生物相容性，在抗污染界面设计中受到了越来越多的关注，避免了物理和化学修饰带来的易于分离、稳定性差和生物毒性高的固有缺陷（Xia等人，2025年）。基于此，开发了一种具有抗体靶向固定和界面抗污染特性的双功能生物肽，用于界面修饰，通过整合这两种功能简化了构建过程，并提高了传感器的检测灵敏度和可靠性，从而克服了现有修饰方法的局限性。

为了在捕获目标后使输出信号更加明显，需要开发一种高效的发光系统。对于具有信号放大效应的三元ECL系统，一个关键问题是发光体与共反应促进剂之间的距离限制，这阻碍了由共反应促进剂催化的活性中间体与发光体自由基之间的及时反应（Li等人，2024年；Gan等人，2021年）。为了克服这些限制，我们致力于开发一种自催化增强型发光材料，将发光体和共反应促进剂集成在一起，有效缩短了它们之间的距离（Kong等人，2025年）。由于金属有机框架（MOFs）的自组装特性，它们可以满足自增强发光材料合成所需的条件（Zeng等人，2021年）。其中，Ln-MOF具有长发光寿命、窄发射带和高量子产率的优势，使其成为理想的发光材料（Zhao等人，2023年）。基于此，通过在Ln-MOF中掺杂具有强催化和导电性的金属离子，制备了一种用于ECL传感分析的自催化增强型发光体。

本文构建了一个超灵敏的生物传感平台，使用AuAgTb-MOF作为自增强发光体，HWGRWVDEDKDKDKC（HKC）作为双功能肽，碳量子点（C QDs）作为淬灭剂，用于CA242的微量检测。首先，引入具有四种不同功能组分的HKC赋予传感器抗体靶向固定和界面抗污染功能，从而提高了其在血清介质中的目标识别效率和抗干扰能力。其次，天线效应、Ag纳米粒子对S₂O₈^2-的催化作用以及Au纳米粒子的高导电性使AuAgTb-MOF具有自催化增强特性，从而克服了距离限制并显著提高了初始输出信号。基于共振能量转移（RET）效应，AuAgTb-MOF的ECL信号被C QDs淬灭，导致信号明显减弱。因此，功能材料和传感策略的设计提高了生物传感器的灵敏度和准确性，实现了对血清中CA242的动态微量监测，检测限低至3.38 × 10^-5 U/mL，为胰腺癌的早期临床诊断提供了可行的方法。

章节片段

AuAgTb-MOF的制备

AuAgTb-MOF是通过将Au纳米粒子掺入AgTb-MOF中制备的，而AgTb-MOF则是根据之前的方法制备的（Yang等人，2017年）。将TbCl₃·6H₂O（37.1 mg）、AgNO₃（33.8 mg）和3,5-二羧基苯硼酸（5-bop，21.0 mg）分散在20 mL的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）/H₂O溶液（7:3）中，搅拌2小时。然后，在150 °C下加热12小时。用DMF和乙醇洗涤三次后，收集AgTb-MOF粉末。

AuAgTb-MOF的表征

如图1A所示，AgTb-MOF的X射线衍射（XRD）图谱显示了Tb-MOF和Ag的特征峰，证明了AgTb-MOF的成功合成（Liu等人，2022年；Ge等人，2021年）。由于Au和Ag的晶格常数相似，AgTb-MOF和AuAgTb-MOF的衍射峰几乎相同，分别对应于（111）、（200）、（220）、（311）和（222）晶面（Liu等人，2022年）。同时，AuAgTb-MOF的峰更强

结论

总结来说，构建了一种基于双功能HKC生物肽、自催化增强型AuAgTb-MOF发光体和具有RET效应的C QDs淬灭剂的高效ECL生物传感器，用于血清中CA242的超灵敏检测。具体而言，通过UV-vis光谱分析、ECL测试和FL成像证实了HKC的抗体靶向固定和界面抗污染功能。其次，基于天线效应和共反应自催化的协同信号放大机制

CRediT作者贡献声明

丁彩峰：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。王佳：软件，资源，形式分析。宋先珍：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。宋金豪：验证，方法学，形式分析。赵璐：撰写 – 审稿与编辑，监督，调查。毛书飞：撰写 – 原稿，验证，方法学，形式分析

未引用参考文献

Liu等人，2020年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22404090和22374086）、山东省自然科学基金（ZR2024QB064）、山东省泰山学者基金（tstp20231227）和青岛市博士后科学基金（QDBSH20250101064）的支持。