MOF@Pt-AuPt等离激元支架增强光纤SPR对GPNMB的超灵敏检测及帕金森病诊断

1.引言

帕金森病是一种常见的神经退行性疾病，目前临床诊断主要依据震颤、肌强直和运动迟缓等运动症状，但其早期表现与进行性核上性麻痹、多系统萎缩等疾病存在一定相似性，增加了早期鉴别的难度。GPNMB是近年来受到关注的帕金森病相关蛋白，与α-突触核蛋白毒性、溶酶体功能异常及神经炎症等过程有关，其在患者血清和脑脊液中的水平也会发生变化。不过，早期样本中GPNMB含量较低，常规ELISA等方法在痕量检测方面仍存在一定限制。光纤表面等离激元共振（SPR）具有实时、无标记及对界面折射率变化敏感等特点，适合用于低浓度生物标志物检测。当GPNMB与光纤表面的抗体结合后，可引起局部折射率变化并产生SPR共振波长位移。但普通金膜的局域电磁场增强能力有限，对低浓度蛋白产生的响应仍较弱。为提高检测灵敏度，本研究将MOF、Pt纳米颗粒和Au@Pt核壳纳米颗粒引入SPR界面，利用MOF提供较大的组装面积，并通过Pt和Au@Pt增强界面光学及局域等离激元效应，从而放大GPNMB结合产生的波长变化，实现对低浓度GPNMB的灵敏检测。

2.结果与讨论

整个传感器的分成两部分：一部分负责增强SPR信号，另一部分负责识别GPNMB。研究首先制备Cu-TCPP二维MOF纳米片，并在其表面原位生长Pt纳米颗粒，得到MOF@Pt。随后利用聚乙烯亚胺对材料表面进行修饰，使其带有正电荷，再通过静电相互作用组装带负电的Au@Pt核壳纳米颗粒，最终形成MOF@Pt-AuPt复合结构。制备好的MOF@Pt-AuPt被固定在镀金光纤的传感区域，作为SPR信号增强层。在此基础上，界面继续组装4-磺酸基杯芳烃、GPNMB抗体，并利用BSA封闭未被占据的非特异性吸附位点，从而完成整个生物识别界面的构建。检测时，样品中的GPNMB会与固定在光纤表面的抗体发生特异性结合。随着GPNMB不断结合，传感界面附近的折射率随之发生变化，最终表现为SPR共振波长移动。通过记录波长位移与GPNMB浓度之间的关系，即可实现对目标蛋白的定量检测。

图 1 MOF@Pt-AuPt材料合成及光纤SPR传感界面构建。(A) Cu-TCPP MOF、MOF@Pt、MOF@Pt-PEI和MOF@Pt-AuPt的逐级制备；(B) 镀金光纤传感区域、光学检测装置以及pSC6、GPNMB抗体和目标蛋白的界面组装过程。

MOF@Pt-AuPt的形貌、组成与组装验证：透射电镜显示，Cu-TCPP呈均匀二维片层结构，原位还原的花状Pt纳米颗粒均匀分布于MOF表面，平均直径为24.03 ± 2.75 nm。Au@Pt核壳颗粒平均粒径为4.77 ± 0.55 nm，高分辨电镜分别观察到Au(111)和Pt(111)晶面。最终复合材料中Au@Pt密集吸附在MOF@Pt表面，元素分析证实C、Cu、Pt和Au均匀分布。紫外-可见吸收在500-700 nm范围明显增强；Zeta电位由MOF@Pt的−14.16 mV，经PEI修饰转为+13.35 mV，组装Au@Pt后变为−31.25 mV，证明静电自组装过程成功完成。

图 2 MOF@Pt-AuPt的合成与结构表征。(A) 材料组装示意图；(B-D) MOF和MOF@Pt的TEM及元素分布；(E) 原位Pt纳米颗粒；(F-G) Au@Pt核壳颗粒及晶格；(H-I) MOF@Pt-AuPt的形貌和元素分布；(J) 紫外-可见吸收；(K-L) Pt和Au@Pt粒径分布；(M) 各组装阶段的Zeta电位。

光纤SPR增敏性能与光电响应：在折射率1.3333-1.3637的NaCl溶液中，MOF@Pt-AuPt修饰光纤产生115.3 nm的最大共振波长位移，高于裸光纤、MOF和MOF@Pt修饰光纤的86.5、96.9和100.6 nm。其折射率灵敏度达到3768.64 nm/RIU，较裸金光纤提高131.99%；品质因数由25.65 RIU⁻¹提高到35.53 RIU⁻¹，检测准确度由0.78提高到1.08。电化学阻抗、循环伏安和近红外光电流测试进一步表明，MOF@Pt-AuPt具有更低的电荷转移阻力和更高的载流子迁移能力，光电流密度达到14.14 μA/cm²。

图 3 不同光纤界面的SPR折射率响应与光电性能。(A-D) 裸光纤、MOF、MOF@Pt和MOF@Pt-AuPt修饰光纤的共振光谱；(E-G) 折射率灵敏度及波长位移比较；(F) 半峰宽、品质因数和检测准确度；(H-J) 阻抗和循环伏安响应；(K-L) 近红外光照下的光电流性能。

肖特基势垒与等离激元增强机制：Pt引入后，MOF的光学带隙由2.53 eV降至2.38 eV，功函数由2.50 eV升至3.05 eV。MOF与Pt接触后发生电子转移，并在界面形成肖特基势垒，使电子更容易向Pt表面聚集，减少电子与空穴的复合，从而改善载流子的分离和传输。电场模拟结果也比较直观：裸Au界面的最大电场强度只有3.29，经过MOF和MOF@Pt修饰后分别提高到5.64和8.85；进一步加入Au@Pt核壳颗粒后，局域表面等离激元与Au膜SPR发生耦合，电场强度提高至11.5，因此能够把GPNMB结合引起的微小折射率变化进一步放大。

GPNMB检测及抗污染性能：优化后采用1 μg/mL抗体构建识别界面。在1–500 pg/mL范围内，GPNMB浓度越高，共振波长红移越明显，而且MOF@Pt-AuPt修饰后的响应始终高于裸金光纤。以50 pg/mL GPNMB为例，抗体固定引起的波长位移达到6.43 nm，约为裸光纤的4倍；检测GPNMB时位移达到11.11 nm，约提高3.3倍。最终检测限达到0.06 pg/mL，比未修饰光纤提高7倍以上。同时，界面接触角由64.67°降至48.56°，说明亲水性增强，BSA造成的非特异性吸附也明显降低，表明该复合界面在提高灵敏度的同时还能减少蛋白污染。

图 4 MOF@Pt-AuPt光纤SPR的性能增强机制。(A-B) 光纤模型及材料组装过程；(C-I) MOF与MOF@Pt的带隙、功函数、价带和能级结构；(J-M) 裸Au、MOF、MOF@Pt及MOF@Pt-AuPt界面的电场分布；(N) 电场强度定量比较；(O) 肖特基势垒促进电荷分离及Au@Pt增强LSPR的协同机制。

图 5 MOF@Pt-AuPt光纤SPR对GPNMB的检测性能。(A-D) 裸光纤与修饰光纤对不同浓度GPNMB的光谱、实时响应和波长位移；(E-F) 抗体固定与目标检测信号比较；(G) 水接触角；(H-I) BSA非特异性结合；(J) 标准曲线；(K) 检测限比较。

选择性、稳定性及临床样本验证：BSA、IgG、L-组氨酸、葡萄糖和抗坏血酸等干扰物引起的波长位移均低于0.5 nm，与GPNMB响应存在显著差异。传感器在1800 s基线监测中保持较小波动，4 ℃储存28 d后信号未明显下降，连续5次检测-再生循环的相对标准偏差低于10%。在25-37 ℃和pH 5.5-8.0范围内，传感性能保持稳定。临床血清检测中，帕金森病患者组产生的SPR信号显著高于健康对照组，并与商业ELISA结果具有良好相关性，说明该平台能够基于血清GPNMB水平区分患者与健康人群。

图 6 MOF@Pt-AuPt光纤SPR的选择性、稳定性和临床检测。(A-C) 干扰物识别及特异性比较；(D-E) 裸金光纤检测前后的基线稳定性；(F) 28 d储存稳定性；(G-H) MOF@Pt-AuPt修饰光纤检测前后的基线稳定性；(I) 健康对照与帕金森病患者血清样本的信号比较。

3.总结

该研究通过原位还原和静电自组装制备了MOF@Pt-AuPt分级等离激元复合材料，并建立了面向帕金森病标志物GPNMB的光纤SPR传感平台。二维Cu-TCPP MOF提供较大比表面积和抗体固定界面，Pt纳米颗粒构建肖特基势垒以促进光生电荷分离，Au@Pt卫星阵列则通过局域等离激元热点与Au膜SPR耦合放大界面电磁场。多种机制协同使传感器折射率灵敏度达到3768.64 nm/RIU，较裸光纤提高131.99%，并将GPNMB检测限降低至0.06 pg/mL。该界面同时表现出良好的亲水性、抗污染性、选择性、储存稳定性和循环使用能力，并可在临床血清中区分帕金森病患者与健康对照。现阶段临床验证样本量仍有限，且尚未纳入进行性核上性麻痹或多系统萎缩等鉴别诊断人群，后续需通过更大规模和分期队列进一步验证其早期诊断价值。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2026.119050