电化学免疫传感器在乙肝病毒检测中的应用突破

引言

乙型肝炎病毒（HBV）感染是全球范围内的重大公共卫生问题之一。据世界卫生组织（WHO）统计，全球有超过24.8亿人感染乙肝病毒，每年约有140万人因肝细胞癌死亡。乙肝表面抗原（HBsAg）作为HBV感染的重要生物标志物，其准确检测对于乙肝的早期诊断和治疗至关重要。传统的检测方法如酶联免疫吸附试验（ELISA）、电化学发光免疫分析（ECLIA）等存在分析时间长、成本高、预处理复杂等缺点。因此，开发高灵敏度、高特异性和低检测限的检测方法具有重要意义。电化学免疫传感器因其高灵敏度、快速响应、操作简便等优点，成为临床检测的有力工具。

研究背景与意义

近年来，基于纳米材料的电化学免疫传感器在生物检测领域受到广泛关注。纳米材料能够显著提高电化学信号的传递效率，从而增强传感器的检测性能。然而，传统的纳米材料如金属氧化物、有机聚合物等存在电子传递速率低、背景电流高等问题。金属-有机框架（MOFs）的出现为电化学传感器的发展提供了新的思路。MOFs具有多孔结构、高比表面积和可调的金属-配体结构等优点。特别是导电金属-有机框架（c-MOFs），通过引入金属离子，能够显著提高电子传递能力。此外，双金属c-MOFs通过金属离子的替代，能够实现多种金属离子的协同效应，进一步提升传感器的性能。

研究方法

本研究构建了一种基于金（Au）和氧化钴（Co₃O₄）纳米颗粒修饰的双金属导电金属-有机框架的电化学免疫传感器，用于HBsAg的定量检测。首先，通过简单的合成方法制备了Ni₃(HITP)₂ c-MOFs纳米棒结构，然后通过微波溶剂热法和化学还原法将Co₃O₄纳米颗粒和不同量的Au纳米颗粒修饰在Ni₃(HITP)₂ c-MOFs上，形成Au@Co₃O₄NPs/NiCo(HITP)双金属c-MOFs纳米复合材料。该材料具有大比表面积、高电导率和丰富的活性位点，能够有效促进抗原与抗体之间的特异性结合。

实验结果与分析

实验结果表明，Au@Co₃O₄NPs/NiCo(HITP)电化学免疫传感器在最佳条件下对HBsAg的检测表现出优异的性能。其线性响应范围为1 pg/mL至100 ng/mL，检测限低至15 fg/mL（信噪比为3），显示出良好的灵敏度。此外，该传感器还具有出色的特异性、重复性和稳定性。在实际样本检测中，也取得了满意的结果。

通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，证实了Au和Co₃O₄纳米颗粒成功修饰在NiCo(HITP) c-MOFs上。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察到，Co₃O₄纳米颗粒均匀分布在Ni₃(HITP)₂纳米棒表面，Au纳米颗粒的修饰并未改变其形貌。电化学测试结果表明，Au@Co₃O₄NPs/NiCo(HITP)电化学免疫传感器具有最高的峰电流和最低的电位电压，显示出优异的电化学性能。

关键结论

本研究成功构建了一种基于Au@Co₃O₄NPs/NiCo(HITP)双金属c-MOFs的电化学免疫传感器，用于HBsAg的高灵敏度检测。该传感器不仅具有宽的线性响应范围和低检测限，还表现出良好的特异性、重复性和稳定性。此外，该传感器在实际样本检测中也表现出良好的准确性。这一研究成果为乙肝相关疾病的早期诊断提供了一种新的检测策略，具有重要的临床应用前景。

结论与展望

本研究通过构建基于Au@Co₃O₄NPs/NiCo(HITP)双金属c-MOFs的电化学免疫传感器，实现了对HBsAg的高灵敏度检测。该传感器的优异性能主要归功于其独特的纳米结构和材料特性。未来的研究可以进一步优化传感器的设计和制备工艺，提高其检测灵敏度和稳定性。此外，还可以探索其在其他生物标志物检测中的应用，为临床诊断提供更多的技术支持。

图 1. 制备的 Au@Co₃O₄NPs/NiCo(HITP)/GCE 电化学免疫传感器用于检测 HBsAg 的示意图

图2. (a) 合成的Ni₃(HITP)₂、Co₃O₄NPs/NiCo(HITP)和Au@Co₃O₄NPs/NiCo(HITP) 样品的XRD光谱；(b) Ni₃(HITP)₂、Co₃(HITP)₂、Co₃O₄NPs/NiCo(HITP) 和Au@Co₃O₄NPs/NiCo(HITP) 的FTIR图像；Au@Co₃O₄NPs/NiCo(HITP) 纳米复合材料的 XPS 测量光谱：(c) Ni 2p、(d) N 1s、(e) Co 2p 和 (f) Au 4f；(g) Ni₃(HITP)₂和NiCo(HITP)样品的晶体结构。

图3. 所研制的 HBsAg 电化学免疫传感器的原理

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149087