基于聚集诱导发光特征的多功能探针构建增强型比色-荧光双模式生物传感器用于早期糖尿病筛查

糖尿病（DM）是一种严重的慢性疾病，表现为血糖水平不规律，伴随有糖尿病足、视网膜病、神经病、心血管疾病和全身感染等并发症，严重影响患者健康。全球有超过4亿人受此疾病困扰，其中2型糖尿病（T2DM）占90%。血糖（Glu）水平作为传统指标，易受饮食、压力和运动等因素影响而波动，增加了诊断的复杂性。此外，空腹取样和饮食限制对患者来说也较为繁琐，可能影响诊断和治疗的准确性。为解决这些问题，研究者们开始关注更稳定的替代标志物，如α-葡萄糖苷酶（α-GAA）活性，这种酶通过水解二糖和寡糖生成Glu，从而导致餐后Glu峰值。α-GAA活性不易受环境干扰，成为糖尿病监测和管理的可靠工具。为了准确监测α-GAA活性，研究者们开发了多种检测方法，包括利用不同底物的酶促反应，但现有方法存在假阳性和干扰的问题。因此，亟需一种超越这些局限的准确检测方法。本研究设计了一种壳聚糖修饰的铜纳米簇（Cu NC@CS-Ce³⁺: AP-CuCC）多功能探针，具有类过氧化物酶活性和聚集诱导发光特性，能够通过荧光和比色信号实现α-GAA催化产物的双重监测。这一新型传感器系统不仅提高了T2DM的筛查准确性，还为其他疾病或生物标志物的检测提供了基础，推动了诊断技术的进步。

如图1，该研究制备了具有过氧化物酶模拟活性（POD）和聚集诱导发射（AIE）特性的多功能探针（AP-CuCC）（图1a）。该探针对α-GAA催化pNGP的两种不同的分解产物具有显著的选择性。值得注意的是，AP-CuCC的荧光在pNP（催化产物之一）存在时发生猝灭，而其POD活性有助于检测葡萄糖氧化酶（GOx）介导的Glu水解产物H₂O₂，从而产生比色信号（图1 b）。该研究成功地设计了一种双信号传感器，利用比色和荧光模式，用于精确监测α-GAA活性。通过高特异性荧光检测，成功区分血Glu和酶促Glu，显著减少假阳性。这一进展使Glu水平成为糖尿病有价值的辅助诊断指标，提高了T2DM患者筛查的准确性（图1c）。

图1 （a）AIE荧光多功能探针AP-CuCC合成途径示意图；（b）通过AP-CuCC的拟过氧化物酶活性和AIE性质对α-GAA催化产物Glu和p-NP的响应实现比色-荧光双模检测；（c）通过α-GAA和Glu的双模检测和数据分析实现早期糖尿病筛查。

研究内容及结果

（1）AIE增强荧光和拟过氧化物酶活性的表征及机理验证：高分辨率透射电子显微镜、EDS、扫描电镜（SEM）、红外光谱等表征证明AP-CuCC的AIE现象源于其分子结构中Cu（I）原子之间强大的亲铜吸引力，Ce³⁺的存在进一步增强了这种吸引力。这种协同作用限制了GSH在分子内的旋转和振动运动，减少了非辐射弛豫，使材料的荧光发射增强，其金属中心的催化活性优化。

（2）比色-荧光双模检测的可行性验证：α-GAA催化底物pNGP产生Glu和P-NP。GOx协调Glu转化为H₂O₂，进而触发活性氧（ROS）的产生。这些ROS与AP-CuCC的拟过氧化物酶能力一起氧化TMB，产生能密切反映Glu浓度的比色信号。α-GAA、GOx、AP-CuCC级联反应体系中氧化TMB（oxTMB）信号与α-GAA浓度呈正相关。而另一种催化产物p-NP在320 nm处有一个明显的吸收峰，与AP-CuCC的激发峰重合，从而导致荧光猝灭。在酸性条件下，由于谷胱甘肽的质子化和壳聚糖固有的疏水性，AP-CuCC形成了独特的疏水表面微环境。这种环境促进了对水溶液中类似疏水的p-NP分子的天然亲和力，通过强大的疏水相互作用促进p-NP吸附到AP-CuCC聚集体上。AP-CuCC和p-NP之间的紧密并置促进了有效的能量转移过程，导致发光猝灭。随着p-NP浓度的升高，其猝灭能力增强，AP-CuCC的荧光强度下降。

（3）比色-荧光双模检测条件的优化：优化了检测体系的pH值，温度，反应时间。

（4）α-GAA的比色-荧光双模检测：确定比色模式的最低检出限为0.03 U/L，荧光检测模式的最低检出限为0.02 U/L，方法具有较好的抗干扰能力。

（5）比色-荧光双模筛查早期糖尿病患者：使用两种市售试剂盒和该研究构建的生物传感器对真实样品中的α-GAA和Glu进行定量，其相对标准偏差（RSD）保持在2%以下，表明该方法具有较高的测试精度。同时，方法可以显著降低50%的假阳性和25%的假阴性，这种精确的分类对于实际疾病的诊断至关重要。

研究结论

本研究提出了一种具有显著的聚集诱导发光特性和类过氧化物酶催化性能的多功能AP-CuCC纳米材料，基于此开发了一种比色和荧光双模传感器用于α-GAA的精细检测。该传感器巧妙地减轻了正常血糖水平造成的任何潜在干扰，不仅提高了测量的准确性，而且改善了确定早期糖尿病病例的能力。该双模响应传感器代表了评估异常生物标志物表达的开创性策略，为未来深入研究其在各种疾病和健康状况相关的无数生物标志物的检测提供屁了潜力。通过融合多功能纳米材料和校准技术，该传感器在检测各种生物标志物方面提供了无与伦比的精度和可靠性，从而加快了早期诊断和优化治疗结果。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116941