基于3D RGO@MoS和2/Ag纳米颗粒的SERS平台，用于实现IL-6的无标记检测

《Materials Chemistry and Physics》：3D RGO@MoS 2/Ag NPs based SERS platform for label-free detection of IL-6

IL-6检测表面增强拉曼散射基板研发及性能分析。采用RGO@MoS?/Ag NPs复合结构，通过电荷转移与电磁增强协同效应实现IL-6检测限0.41 pg/mL，线性范围5.0-1000 pg/mL，增强因子达2.2×10?。

　　

钱秦琴|何浩成|傅松荫|徐嘉|何浩辉|曾书文|姜涛|吕舍琴|顾晨杰

中国宁波大学先进技术研究院，宁波，315211

摘要

高效且灵敏地监测白细胞介素-6（IL-6）对于慢性阻塞性肺疾病（COPD）的临床追踪和诊断至关重要。本文开发了一种新型的表面增强拉曼散射基底（RGO@MoS₂/Ag NPs），该基底由封装在二硫化钼（MoS₂）中的还原氧化石墨烯（GO）构成的高效电荷转移和吸附层，以及银纳米粒子（Ag NPs）构成的电磁增强层组成，可用于实现高度灵敏的无标记IL-6检测。实验中，首先通过旋涂工艺将(NH₄)₂MoS₄和GO前驱膜沉积在粗糙的g-C₃N₄基底上。随后，对该前驱膜进行两步高温退火处理以制备RGO@MoS₂电荷转移层。最后，在RGO@MoS₂膜上溅射Ag NPs以诱导局域表面等离子体，进一步增强SERS性能。得益于RGO@MoS₂的高比表面积和优异的电荷转移特性，以及表面Ag NPs产生的高密度“热点”，所制备的SERS基底表现出显著的电磁和化学增强效果。使用罗丹明6G（R6G）作为拉曼报告分子，确定在最佳SERS基底上的最低检测限可低至10^-9 M，增强因子为2.2 × 10⁹。同时，该基底还表现出良好的均匀性，相对标准偏差为9.84%。最后，使用该SERS基底检测IL-6时，在5.0-1000 pg/mL范围内显示出良好的线性响应，检测限低至0.41 pg/mL。

引言

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种全球范围内普遍存在的疾病，其特征是持续的气流受限，其发病机制与慢性炎症反应密切相关。最近的研究表明，作为关键促炎因子的白细胞介素-6（IL-6）在COPD的病理进展中起着核心调节作用[1]、[2]。临床实践表明，与稳定期相比，COPD急性加重患者的血清中IL-6水平显著升高[3]、[4]、[5]、[6]。因此，快速且高度灵敏地监测IL-6对于评估COPD状况和指导治疗具有重要的临床价值。

传统上，IL-6的检测依赖于酶联免疫吸附测定（ELISA）方法。然而，该方法存在多个限制，包括对生物标记物的高度依赖性、较长的检测周期和较高的成本[7]。另一方面，化学发光免疫测定（CLIA）是一种快速高效的IL-6检测方法，在临床实验中得到广泛应用。然而，由于设备成本高昂和线性检测范围有限，其在整个COPD病程监测中的应用受到限制[8]。此外，电化学发光免疫荧光分析和质谱等新兴检测技术具有高通量和高检测灵敏度的优势[9]，但仍面临复杂的预处理程序和抗干扰能力不足的挑战。因此，开发一种兼具高灵敏度和检测能力、操作简便、线性检测范围广且分析时间快的先进生物检测策略至关重要。

最近，表面增强拉曼散射（SERS）作为一种强大的生物分析技术应运而生，具有优异的灵敏度、高通量能力和宽线性检测范围以及无标记分析性能[10]、[11]、[12]。传统上，银和金等贵金属基材料被用作SERS基底材料。由于表面等离子体共振效应，这些材料能够显著放大拉曼信号[13]、[14]。例如，Zhou等人使用4-巯基苯硼酸（4-MPBA）修饰的银片作为基底捕获IL-6糖蛋白，并引入了IL-6抗体功能化的Au@PB@Au纳米探针作为识别层与抗原结合，从而形成用于后续表面增强拉曼散射（SERS）检测的夹心结构[15]。该方法的最小检测限为5 pg/mL。然而，从基质制备、纳米探针修饰到IL-6检测的整个过程繁琐且耗时，不利于实际应用中的快速检测。另外，Majdinasab等人将IL-6抗体吸附在金纳米粒子表面，然后根据抗体与IL-6结合引起的构象变化（即490 cm^-1处S-S键信号强度的变化）来检测IL-6的存在[16]。这种方法更快更简便，但金属纳米材料与蛋白质分子之间的不相容性可能导致蛋白质变性，从而影响重复性。总体而言，上述方法在IL-6的临床检测中存在共同缺点：首先，贵金属纳米材料容易聚集，导致信号不稳定；其次，这些方法需要复杂的表面修饰（如抗体修饰或双分子信号设计），可能在蛋白质固定和纳米材料与蛋白质分子之间的不相容性方面遇到挑战。同样，虽然传统的纳米腔体和纳米球在电磁场限制方面表现出色，但缺乏化学增强机制，且容易发生非特异性吸附和蛋白质分子变性[17]、[18]、[19]。因此，开发一种没有上述缺点且适用于IL-6临床检测的新型SERS基底至关重要。

在本研究中，开发了一种新型的表面增强拉曼散射基底（RGO@MoS₂/Ag NPs），该基底由封装在二硫化钼中的还原氧化石墨烯构成的高效电荷转移和吸附层，以及银纳米粒子构成的电磁增强层组成，用于实现高度灵敏的无标记IL-6检测。实验中，首先通过旋涂其混合溶液将(NH₄)₂MoS₄和氧化石墨烯（GO）前驱膜沉积在粗糙的g-C₃N₄基底上。随后，对前驱膜进行两步高温退火处理以制备RGO@MoS₂电荷转移层。最后，在RGO@MoS₂膜上溅射Ag NPs以诱导局域表面等离子体，进一步增强其SERS性能。得益于RGO@MoS₂的高比表面积和优异的电荷转移特性，以及表面Ag NPs产生的高密度“热点”，所制备的RGO@MoS₂/Ag NPs SERS基底表现出显著的电磁和化学增强效果。使用罗丹明6G（R6G）作为拉曼报告分子，确定在最佳SERS基底上的最低检测限可低至10^-9 M，增强因子为2.2 × 10⁹。同时，该基底表现出优异的均匀性，相对标准偏差为9.84%。最后，使用该SERS基底检测IL-6时，在5.0-1000 pg/mL范围内显示出良好的线性响应，检测限低至0.41 pg/mL。

化学品和材料

丙酮（CH₃COCH₃，≥99.5%）、DMF（C₃H₇NO，99.5%）和乙醇（C₂H₅OH，99%），以及盐酸（HCl，36%）由华药化学试剂有限公司提供。聚乙烯亚胺（PEI，99%）、AlCl₃·6H₂O（≥97%）和四硫钼酸铵（(NH₄)₂MoS₄，99.95%）来自Aladdin。块状g-C₃N₄（≥ 99.95%）购自XFNANO，而氧化石墨烯粉末（GO，直径1-5 μm，98.0%）由南京Mako纳米科技有限公司提供。重组人IL-6蛋白

结果与讨论

图1展示了制备RGO@MoS₂/Ag NPs纳米复合材料的示意图以及在制备的SERS基底上直接检测IL-6的方案。实验中，GO的基面具有高密度的极性氧功能团[19]、[20]、[21]，这些功能团对DMF溶剂有很强的亲和力，并能分散(NH₄)₂MoS₄，使GO能够有效吸附(NH₄)₂MoS₄并在其两侧均匀覆盖

结论

总之，成功开发了一种基于3D RGO@MoS₂/Ag NPs SERS基底的无标记SERS技术，用于高度灵敏地检测IL-6。通过多组分协同效应，该基底实现了优异的SERS性能，其中RGO@MoS₂层的引入发挥了关键作用，带来了三大优势：MoS₂边缘活性位点通过静电相互作用吸附IL-6；RGO捕获IL-6的芳香残基（色氨酸）

CRediT作者贡献声明

何浩成：研究工作。傅松荫：软件开发、研究工作。钱秦琴：初稿撰写、可视化处理、数据整理。顾晨杰：撰写、审稿与编辑、项目监督、概念构思。姜涛：撰写、审稿与编辑。吕舍琴：撰写、审稿与编辑、可视化处理。何浩辉：撰写、审稿与编辑。曾书文：撰写、审稿与编辑。徐嘉：撰写、审稿与编辑、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性

数据可应合理要求提供。

利益冲突声明

作者声明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

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62374097）、浙江省教育厅的科学研究基金（项目编号：Y202456654）以及宁波大学的“健康跨学科研究项目”（项目编号：HY202405）的支持。