基于仿生金属有机框架纳米酶介导的超灵敏心肌标志物光电化学传感器的构建及应用

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.250083

摘要/Abstract

摘要：

心肌肌钙蛋白I（cTnI）是一种敏感性和特异性较强的心肌损伤标志物，在急性心肌梗死（AMI）等心血管疾病的早期诊断中具有较高的临床价值。然而，在AMI发病初期，血清中的cTnI浓度较低，且受其他因素（如生理变化、其他疾病等）干扰。为提高早期诊断的准确性和可靠性，开发灵敏度更高、抗干扰性更强的生物传感器迫在眉睫。基于此，本文构建一种新型、简便的光电化学（PEC）生物传感器，基于仿生金属有机框架（MOF）纳米酶催化沉淀策略，实现人体血清中cTnI的高灵敏检测。实验结果表明，cTnI的检测范围为0.1 pg/mL~100 ng/mL，检出限为11.9 fg/mL。基于仿生MOF纳米酶介导的心肌标志物光电化学传感器具有灵敏度高、低检测限、宽线性响应范围和较好的选择性及高稳定性，可用于急性心肌梗死标志物cTnI的早期检测，有望实现对急性心肌梗死的早期诊断和治疗检测。

关键词: 金属有机框架纳米酶, 光电化学免疫分析, 生物催化沉淀, 心肌肌钙蛋白

Abstract:

Cardiac troponin I （cTnI） is a highly sensitive and specific biomarker of myocardial injury， with high clinical value in the early diagnosis of cardiovascular diseases such as acute myocardial infarction （AMI）. However， in the early stages of AMI， the concentration of cTnI in the serum is low and is influenced by other factors such as physiological changes and other diseases. It is urgent to develop biosensors with higher sensitivity and stronger anti-interference ability to improve the accuracy and reliability of early diagnosis. Based on this， this article constructs a novel and simple photoelectrochemical （PEC） biosensor， which utilizes a biomimetic metal organic framework （MOF） nanoenzyme catalyzed precipitation strategy to achieve highly sensitive detection of cTnI in human serum. The experimental results indicate that the detection range of cTnI is 0.1 pg/mL to 100 ng/mL， with a detection limit of 11.9 fg/mL. The myocardial biomarker photoelectrochemical sensor based on biomimetic MOF nanoenzyme has high sensitivity， low detection limit， wide linear response range， good selectivity and high stability. It can be used for early detection of cTnI， a marker of acute myocardial infarction， and is expected to achieve early diagnosis and treatment detection of acute myocardial infarction.

Key words: Metal organic frameworks nanozyme, Photoelectrochemical immunoassay, Biocatalytic precipitation, Cardiac troponin I

中图分类号:

O657.1

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图/表 11

图1 用于cTnI检测的传感器构建机理图

Fig.1 Schematic diagram of sensor construction for cTnI detection

图2 CdZnS纳米棒的（A） SEM图、（B） TEM图、（C） HR-TEM图和（D） EDS图谱

Fig.2 （A） SEM，（B） TEM，（C） HR-TEM and （D） EDS image of CdZnS nanorods

图3 CdZnS纳米棒的XRD图（A）和XPS全谱图（B）； S2p（C）、Zn2p（D）和Cd3d（E）高分辨率谱图； CdZnS纳米棒/FTO光活性基底的光电流稳定性图（F）

Fig.3 XRD pattern （A） and XPS full spectrum （B） of CdZnS nanorods； High-resolution spectra of S2p （C）， Zn2p （D） and Cd3d （E） of CdZnS nanorods； Photocurrent stability diagram of CdZnS nanorods/FTO photoactive substrate （F）

图4 CdZnS（a）、CdS（b）和ZnS（c）的紫外-可见漫反射光谱（A）和对应的Tauc图（B）； CdZnS的Mott-Schottky图（C）； CdZnS（a）、CdS（b）和ZnS（c）的光致发光光谱（D）； CdZnS（a）和CdS（b）光致电荷载流子的平均寿命（E）和时间分辨光致发光光谱（F）

Fig.4 UV-Vis diffuse reflectance spectra （A） and corresponding Tauc plots （B） of CdZnS （a）， CdS （b）， and ZnS （c）； Mott-Schottky plot of CdZnS （C）； Photoluminescence spectra （D） of CdZnS （a）， CdS （b）， and ZnS （c）； Average lifetime （E） and time-resolved photoluminescence spectra （F） of photo induced charge carriers in CdZnS （a） and CdS （b）

图5 Hemin/BSA@ZIF-8 纳米酶的扫描电子显微镜图像（A）； TMB（a）、TMB-H2O2（b）和Hemin/BSA@ZIF-8-TMB-H2O2（c）在0.1 mol/L NaAc-HAc缓冲溶液（pH=4.0）中的UV-Vis光谱（B）

Fig.5 Hemin/BSA@ZIF-8 scanning electron microscopy images of nanoenzymes （A）； TMB （a）， TMB-H2O2 （b）， and Hemin/BSA@ZIF-8-TMB-H2O2 （c） UV-Vis absorption spectra in 0.1 mol/L NaAc-HAc buffer solution （pH=4.0）（B）

图6 PEC适体传感器构建过程中的光电流响应（A）、阻抗谱图（B）和PEC适体传感器的可能电子传递机制（C）

Fig.6 Photocurrent response during the construction process of PEC aptamer sensor （A）， impedance spectrum （B） and possible electron transfer mechanism of PEC aptamer sensor （C）

图7 优化CdZnS的负载浓度（A）、目标物cTnI和Apta 2-Hemin/BSA@ZIF-8纳米酶的孵育时间（B）以及纳米酶催化的沉淀反应时间（C）

Fig.7 Optimization of CdZnS loading concentration （A）， target compounds cTnI and Apta 2-Hemin/BSA@ZIF-8 incubation time of nanoenzyme （B） and precipitation reaction time catalyzed by nanoenzyme （C）

图8 优化纳米酶催化环境的温度（A）和pH值（B），误差棒为3次独立检测结果的标准偏差

Fig.8 Temperature （A） and pH value （B） optimized for nanoenzyme catalytic environment， with error bars representing the standard deviation of three independent detection results

图9 对不同浓度cTnI的光电流响应曲线（A）和相应校准曲线（B）；与其他干扰物（100倍）CK-MB、PSA、MB和cTnT、铜离子、硝酸根和溴酸根相比，PEC适体传感器对ρ（cTnI）=10 pg/mL的选择性（C）；PEC适体传感器在400 s内重复开/关照明周期对ρ（cTnI）=0.1 pg/mL的稳定性（D）

Fig.9 The photocurrent response curves （A） and corresponding calibration curves （B） of different concentrations of cTnI； Compared with other interferents （100 fold） such as CK-MB， PSA， MB， cTnT， copper ions， nitrate ions， and bromate ions， the PEC aptamer sensor exhibits selectivity for ρ（cTnI）=10 pg/mL （C）； The stability of the PEC aptamer sensor for ρ（cTnI）=0.1 pg/mL with repeated on/off illumination cycles within 400 s （D）

图10 PEC适体传感器的可重复性（A）和长期稳定性（B）

Fig.10 Repeatability （A） and long-term stability （B） of PEC aptamer sensor

表1 PEC适体传感器实际样品检测表现

Table 1 Actual sample detection performance of PEC aptamer sensor

Sample	Addition/（pg·mL^-1）	Detection/（pg·mL^-1）			Average/（pg·mL^-1）	Recovery/%	RSD/%（n=3）
Human serum	1.00	0.99	1.04	1.01	1.02	101.60	2.38
	10.00	9.53	10.21	10.38	10.04	100.40	4.45
	100.00	91.70	98.24	100.20	96.52	98.32	1.87

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