光电流极性调控与MIL-53(Fe)@hemin的酶催化特性：PTP1B超灵敏检测的新视角

1. 引言

蛋白酪氨酸磷酸酶1B（PTP1B）的失调与糖尿病、肥胖和癌症等疾病相关，因此灵敏检测其活性对早期诊断和药物发现至关重要。目前，针对PTP1B的非放射性检测方法仍显不足，尽管比色法、荧光法和光电化学等检测策略正在被开发。光电化学技术因其高灵敏度和低本底噪声而受到关注，尤其是光电流-极性开关策略，有助于减少假阳性或假阴性结果。此外，金属有机框架（MOFs）作为信号放大的载体，显示出良好的潜力，但尚未将其与信号开关因子结合以构建有效的光电流-极性开关系统。当前研究急需开发一种新型的双模态传感平台，结合比色法与光电化学，以提高PTP1B的检测可靠性。Hemin被提出作为一种有效的PEC信号开关因子，能够增强催化活性并提高稳定性，从而为PTP1B的灵敏检测提供新的思路。

本文开发了一种双功能的MIL-53(Fe)@hemin，作为SnS₂纳米花的有效PEC信号开关因子和新型模拟酶，从而提出了一种CL检测辅助的均匀PEC生物传感器，用于超灵敏测定PTP1B活性。为提高生物识别精度，合成了金纳米粒子修饰的磁性Fe₃O₄（Fe₃O₄@Au NPs），并通过Au-S键将巯基结尾的磷酸化肽固定在其表面。MIL-53(Fe)@hemin通过磷酸基团与Fe（III）形成强配位连接。当PTP1B存在时，p肽被特异性去磷酸化，导致MIL-53(Fe)@hemin与Fe₃O₄@Au NPs分离。随后，通过磁分离快速收集MIL-53(Fe)@hemin进行PEC和CL测定。在PEC模式下，MIL-53(Fe)@hemin使SnS₂ NFs/ITO电极光电流方向发生变化；在CL模式下，它在H₂O₂存在下增强了氧化TMB的能力，产生可见颜色变化和光吸收信号。

方案1. 材料制备示意图(A)和PTP1B双峰PEC-CL生物传感平台示意图(B)。

2. 结果与讨论

MIL-53(Fe)@hemin的表征

研究者对MIL-53(Fe)@hemin的形态演化和元素组成进行了分析，以阐明其性质和潜在应用。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，预制备的MIL-53(Fe) MOF呈现清晰的纺锤状多面体结构，尺寸约为450 nm长、260 nm宽。能量色散X射线能谱（EDS）映射图像表明Fe、C和O元素均匀分布在多面体框架中。包封血红素后，MIL-53(Fe)@hemin的多面体结构基本保持不变，仅表面略显粗糙，表明其具有较好的鲁棒性。EDS分析显示MIL-53(Fe)@hemin中N元素的含量约为1.58 wt%，证实了血红素成功整合到MIL-53(Fe)基质中。

图1. MIL-53(Fe) (A)的SEM图像；MIL-53(Fe)@hemin（B-C）的SEM和EDS图谱。

研究者利用X射线光电子能谱（XPS）分析了MIL-53(Fe)@hemin的表面化学价态和电子结构，结果表明，与MIL-53(Fe)相比，MIL-53(Fe)@hemin中存在Fe、C、O和N元素，证实hemin成功结合到MIL-53(Fe)框架中。Fe 2p3/2和Fe 2p1/2的主导峰以及O 1s谱均显示出与Fe³⁺相关的特征。N 1s峰的出现进一步证实了hemin的存在。氮吸附-解吸等温线显示，MIL-53(Fe)@hemin的比表面积降低，证实hemin被纳入MIL-53(Fe)框架的空腔中。紫外可见吸收光谱和电化学分析也证实了hemin的成功包封。MIL-53(Fe)@hemin表现出比MIL-53(Fe)和hemin更强的过氧化物酶样活性，表明其具有增强的比色传感灵敏度。

图2. MIL-53(Fe)@hemin的表征

Fe₃O₄@Au NPs和SnS₂ NFs的表征

研究者通过X射线衍射（XRD）分析了合成的磁珠（MB），结果显示其衍射峰与Fe₃O₄标准卡一致，表明成功合成Fe₃O₄，粒径约为500 nm。Fe₃O₄@Au NPs在金纳米颗粒修饰后仍保持球形形态，且观察到约8 nm的金纳米粒子修饰层，证实了金的成功修饰。合成的SnS₂纳米花（NFs）呈现3D花状结构，平均直径为5 μm，由许多交错的二维纳米片组成，厚度约为33 nm。XRD和XPS分析进一步确认了SnS₂ NFs的结构和组成，多个衍射峰与SnS₂特征面匹配良好。高分辨率光谱显示Sn和S元素的存在，证实了SnS₂纳米花的成功合成。

图3. Fe₃O₄@Au NPs和SnS₂ NFs的表征

双模态生物传感平台的电化学、光电化学和比色表征

研究者通过电化学、光电化学和比色表征，验证了所提出的双峰生物传感平台的可行性。电化学阻抗谱（EIS）分析表明，SnS₂修饰ITO电极后，电荷转移电阻(Rct)增加；引入MIL-53(Fe)@hemin后，Rct进一步增加，验证了生物传感器的成功构建。光电化学分析显示，SnS₂/ITO电极表现出阳极光电流，而MIL-53(Fe)@hemin/SnS₂/ITO电极则发生光电流极性切换，转变为阴极光电流。紫外-可见漫反射光谱（DRS）表明，SnS₂ NFs具有良好的光活性，带隙约为2.21 eV。能级分析阐述了光电流极性切换的可能机制。比色分析表明，PTP1B的存在导致明显的颜色变化和652nm处的强吸收峰，证明了PTP1B比色检测模式的可行性。

图4. 双模态生物传感平台的电化学、光电化学和比色表征

PTP1B活性的PEC和CL测定

研究者利用所开发的PEC-CL双模态生物传感器检测PTP1B，结果显示在没有PTP1B的情况下观察到明显的阳极光电流，而引入PTP1B后光电流迅速切换为阴极光电流，且随着PTP1B浓度的增加，阴极光电流逐渐增强。在0.1 pg mL⁻¹至3000 ng mL⁻¹范围内，光电流与PTP1B浓度呈线性关系，检出限为0.074 pg mL⁻¹。比色法中，随着PTP1B浓度增加，652 nm处的吸收峰增强，检出限为0.24 pg mL⁻¹。与先前方法相比，该双模传感平台的检测性能显著提高，显示出良好的灵敏度和准确性。

图5. PTP1B活性的PEC和CL测定

选择性、可重复性和稳定性

研究者对所提出的PTP1B生物传感器的选择性进行了严格评估，使用四种潜在干扰物以100倍的过量进行测试。结果显示，在相同条件下，干扰物未引起PEC或CL信号的明显变化，PTP1B的PEC分析中观察到光电流极性的显著切换，且PTP1B的紫外-可见吸收信号明显高于干扰物。这些发现验证了该双模传感平台在PTP1B准确测定方面的卓越选择性。

为了评估重现性，研究者制作了五个独立传感器，测定PTP1B活性，PEC和CL测定的相对标准偏差（RSD）分别为3.5%和1.6%。此外，光电流稳定性测试显示，MIL-53(Fe)@hemin/SnS2/ITO电极在15天后光电流响应保持在初始值的98%和92.4%。这些结果共同证明了生物传感平台的良好稳定性。

图6. 选择性、可重复性和稳定性

 3. 总结

本研究设计了一种双模态PEC-CL生物传感平台，用于在均相系统中进行超灵敏的PTP1B检测。该平台采用基于双功能MIL-53(Fe)@hemin的光电流-极性开关策略，并辅助以视觉比色分析。MIL-53(Fe)作为连接桥梁，通过Fe(III)与磷酸基团的强配位连接MIL-53(Fe)@hemin与磷酸化肽。MIL-53(Fe)还作为保护支架，在PEC传感模式下放大信号，在CL传感模式下协同增强酶样活性。MIL-53(Fe)@hemin对光活性SnS₂纳米花具有有效的光电流极性切换能力和模拟酶功能，使得PEC和CL生物传感模式能够相互验证，实现了可靠的PTP1B活性测定。该平台在PEC模式下线性范围为0.1 pg mL^-1至3000 ng mL^-1，检测下限为0.074 pg mL⁻¹；CL模式下线性范围为10 pg mL⁻¹至3000 ng mL⁻¹，检测下限为0.24 pg mL⁻¹。此外，该平台在PTP1B检测中表现出出色的选择性、可接受的重复性和令人满意的稳定性，并在复杂生物样品中具有良好的适用性。

 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150181