己胺功能化石墨烯氧化物-银纳米复合材料用于生物素-链霉亲和素结合的电化学监测

《SmartMat》：Hexylamine Functionalized Graphene Oxide-Silver Nanocomposite for Electrochemical Monitoring of Biotin-Streptavidin Binding

　　

电化学传感器因其高灵敏度、操作简便及成本效益，已成为生物标志物检测的可行方案，然而开发兼具低成本、便捷性与高效性的基底材料仍面临显著挑战。研究人员开发了一种新型氧化石墨烯/银纳米颗粒（GO/AgNPs）杂化纳米结构（Ag@HA-GO），用于生物素-链霉亲和素（biotin–streptavidin, SA）相互作用的电化学检测。具体而言，首先通过己胺（hexylamine, HA）修饰GO以扩大层间距，随后将银纳米颗粒（AgNPs）引入HA-GO片层间，制得兼具良好分散性与优异导电性的Ag@HA-GO。为实现对biotin–SA相互作用的检测，研究人员将生物素共价接枝至Ag@HA-GO中GO片层的边缘。在后续的biotin–SA相互作用电化学检测中，循环伏安曲线结果表明，玻碳电极（glassy carbon electrode, GCE）负载的biotin-Ag@HA-GO可作为灵敏且稳定的电化学传感器基底。该GO/AgNPs杂化纳米复合材料有望成为稳定AgNPs的有效平台，且Ag@GO-HA在生理条件下对biotin–SA的电化学检测表现出良好的稳定性、选择性与重现性。

《SmartMat》发表的这项研究针对生物标志物电化学检测中基底材料性能不足的核心瓶颈，开发了己胺功能化的氧化石墨烯-银纳米颗粒（Ag@HA-GO）杂化平台，实现了生物素-链霉亲和素（biotin–streptavidin, SA）相互作用的高灵敏、高特异性监测。生物标志物作为疾病诊断、治疗监测与药物研发的核心指标，其快速准确定量对临床诊疗至关重要，但样本复杂度与靶标分子不稳定性始终是蛋白质等大分子检测的难点。链霉亲和素与生物素的超强结合亲和力（解离常数K_d=10^?15M）、宽pH稳定性与高特异性，使其成为生物检测中理想的分子“钩子”，可通过信号转换实现靶标定量，其中电化学检测因高稳定性、灵敏度与成本优势备受关注。然而，电极基底材料的性能直接决定传感器表现，传统贵金属材料存在胶体稳定性差、易失活等问题，而石墨烯基复合材料则受限于层间距调控困难、活性位点可及性不足等缺陷，亟需开发新型功能化基底。

研究人员通过两步法制备Ag@HA-GO杂化材料：首先采用改良Hummers法制备氧化石墨烯（graphene oxide, GO），再通过环氧开环胺化反应引入己胺（HA）扩大GO层间距，最后以柠檬酸钠还原硝酸银，在HA-GO片层原位生长银纳米颗粒（silver nanoparticles, AgNPs）。采用透射电子显微镜（transmission electron microscopy, TEM）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）、紫外-可见吸收光谱（UV/Vis）与傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR）系统表征材料结构与形貌；通过酰胺化反应将生物素接枝至GO边缘羧基，构建biotin-Ag@HA-GO传感界面；以玻碳电极（glassy carbon electrode, GCE）为基底，采用循环伏安法（cyclic voltammetry, CV）与电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy, EIS）评估其对SA的检测性能，并验证传感器的稳定性、选择性与重现性。

2.1 己胺功能化GO的形貌与结构表征

研究人员通过系列表征证实HA成功接枝至GO。XPS全谱中出现N 1s峰，C 1s谱中新出现C–N键峰且环氧基团信号减弱，N 1s谱中检测到N–C（399.5 eV）与NH₃⁺–C（401.8 eV）特征峰，直接证明环氧开环胺化反应的发生。X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）显示HA-GO的衍射峰从GO的10.1°移至7.8°，表明层间距显著扩大；热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）中HA-GO在200°C–450°C的质量损失对应己胺的热分解，进一步佐证功能化成功。TEM与扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）观察到HA-GO仍保持褶皱片状形貌，能量色散X射线光谱（energy dispersive spectroscopy, EDS）检测到C、O、N元素均匀分布，证实HA通过共价键引入GO片层。

2.2 Ag@HA-GO的形貌与结构表征

原位生长的AgNPs均匀锚定于HA-GO片层表面，未出现明显团聚。UV/Vis光谱中425 nm处的表面等离子体共振峰、XPS中Ag 3d峰的出现，以及XRD中38.0°、44.3°、64.5°、77.4°处Ag的特征衍射峰，共同证实AgNPs的成功负载。原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM）显示Ag@HA-GO片层厚度为2.0–4.0 nm，AgNPs直径为11–16 nm，TEM与SEM图像进一步验证了AgNPs的均匀分散性，解决了纯贵金属材料易团聚失活的难题。

2.3 Biotin-Ag@HA-GO的制备及其电化学性能

研究人员将生物素共价偶联至Ag@HA-GO边缘羧基，构建GCE/Biotin-Ag@HA-GO电极。空白Ag@HA-GO对SA无电化学响应，排除了基底干扰；而Biotin-Ag@HA-GO的CV氧化还原峰电流随SA浓度（10–50 ng/L）升高线性降低（R²=0.967），检出限（limit of detection, LOD）达12.69 ng/L。EIS结果显示，Biotin-Ag@HA-GO的电荷转移电阻（charge transfer resistance, R_ct）显著低于纯GO与裸GCE，SA结合后R_ct升高，证实电子传递受阻源于特异性biotin–SA相互作用。该传感器在pH 7.4的磷酸盐缓冲液（phosphate buffered saline, PBS）中性能最优，连续15次循环测试信号保持稳定，对赖氨酸、丙氨酸、多巴胺等6种常见干扰物无明显响应，5根平行电极的相对标准偏差极低，展现出优异的稳定性、选择性与重现性。与已报道的DNA检测策略相比，该平台的线性范围与LOD仍有优化空间，但其为无标记生物亲和传感提供了新思路。

3 结论

研究人员开发的Ag@HA-GO杂化纳米结构通过HA扩层与AgNPs负载，同时解决了GO层间距不足与贵金属材料不稳定的问题。系统的电化学测试证实，该传感器在生理条件下对biotin–SA相互作用的检测具有高稳定性、选择性与重现性，为不同样本中biotin–SA相互作用的电化学监测提供了可靠平台，也为基于GO/AgNPs的无标记生物亲和DNA电化学生传感奠定了材料基础。