【MOF电化学传感器】：基于Con A@MIL-101的糖蛋白电化学检测平台

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摘要:
成都理工大学屈轲老师等报道的本篇文章（Langmuir 2024）中建立了一种基于凝集素作为分子识别元件的电化学阻抗生物传感平台,用于敏感检测糖蛋白这类重要的临床诊断生物标志物。研究采用了代表性金属-有机骨架材料MIL-101(Cr)-NH2作为支撑基质,其氨基作为针定点固定伴刀豆球蛋白A (Con A),构建Con A@MIL-101(Cr)-NH2用于测定转化酶(INV)作为模型糖蛋白。优化了Con A浓度、固定化时间和与INV孵育时间。在最佳条件下,阻抗增加程度与INV浓度的对数成正比,检测范围为1.0×10-16至1.0×10-11 M,检出限低至3.98×10-18 M。该生物传感平台表现出良好的特异性、稳定性、重现性和重复性。此外,将不同浓度的INV加入到小鼠血清样品中,获得了优异的回收率,证明了该生物传感平台能够在复杂基质中分析糖蛋白。

研究背景:
(1) 糖蛋白在许多重要的生理和疾病过程中扮演关键角色,如细胞间相互作用、免疫应答和肿瘤发展等。异常糖基化的蛋白质与多种疾病的起源和进展密切相关,因此许多糖蛋白被视为临床诊断的生物标志物。
(2) 目前检测糖蛋白的方法主要依赖于质谱和酶联免疫吸附测定,这些方法要么昂贵要么耗时,且通常需要熟练人员和集中仪器来执行测量,不适合实践糖蛋白的即时检测。
(3) 本研究提出利用金属-有机骨架材料MIL-101(Cr)-NH2作为支撑基质,其氨基作为针定点固定Con A,构建Con A@MIL-101(Cr)-NH2用于电化学阻抗法检测糖蛋白,实现了灵敏、快速、便携、低成本的糖蛋白检测。

实验部分:
(1) 合成了MIL-101(Cr)-NH2作为支撑基质,并用XRD、FT-IR、N2吸附-脱附等手段表征了其结构和性质。
(2) 将MIL-101(Cr)-NH2修饰在玻碳电极表面,再用戊二醛活化的Con A修饰MIL-101(Cr)-NH2,构建Con A@MIL-101(Cr)-NH2/GCE生物传感器。
(3) 优化了Con A浓度(2.0 mg/mL)、固定化时间(3 h)和与INV孵育时间(60 min)等实验条件。
(4) 在最佳条件下,用不同浓度的INV标准溶液(1.0×10-16至1.0×10-11 M)考察了生物传感器的检测性能,获得了3.98×10-18 M的低检出限,线性范围宽达5个数量级,实现了对糖蛋白的灵敏检测。

分析测试:
(1) 循环伏安法和电化学阻抗谱(EIS)表征了生物传感器的构建过程,结果表明MOF、Con A、BSA和INV的连续修饰导致电流响应明显降低和阻抗半圆直径增大。
(2) SEM和AFM表征了MIL-101(Cr)-NH2、Con A@MIL-101(Cr)-NH2、Con A@MIL-101(Cr)-NH2/BSA和INV/Con A@MIL-101(Cr)-NH2/BSA的形貌,随着Con A、BSA和INV的连续修饰,MIL-101(Cr)-NH2逐渐被蛋白聚集体覆盖,界面粗糙度从35.8 nm降低到18.1 nm,INV捕获后粗糙度增加到21.3 nm。
(3) 选择AFP、Ficin和BSA作为干扰蛋白评估生物传感器的选择性,结果表明对这些干扰蛋白无明显响应。考察了生物传感器在2周内的稳定性,14天后仍保持92.4%的响应。
(4) 用10个单独的电极检测10-12、10-14和10-16 M的INV,相对标准偏差分别为0.61%、1.20%和4.89%,表明生物传感器具有出色的重现性。重复测定10-12、10-14和10-16 M的INV 10次,相对标准偏差分别为1.80%、2.61%和6.29%,显示了良好的重复性。

总结:
(1) 本研究建立了一种基于凝集素@MOF的电化学阻抗生物传感平台,用于灵敏检测糖蛋白。
(2) 利用MIL-101(Cr)-NH2作为支撑基质,其氨基固定Con A作为分子识别元件捕获INV模型糖蛋白。
(3) 所制备的Con A@MIL-101(Cr)-NH2生物传感器可检测1.0×10-16至1.0×10-11 M的INV浓度,检出限低至3.98×10-18 M。
(4) 生物传感平台表现出良好的特异性、稳定性、重现性和重复性。更重要的是,在加标的小鼠血清样品中获得了96.4%至105.9%的优异回收率,表明该生物传感平台能够在复杂生物基质中发挥作用,这对其进一步应用非常有前景。
(5) 所制备的MIL-101(Cr)-NH2主要具有2 nm的微孔,使Con A修饰在其外表面,而小的电解质离子能够通过其内部微孔,有利于阻抗信号的输出。MOF结构实现的这种独特分流作用有助于基于阻抗模式的良好传感性能。

展望:
(1) 本研究只选择了INV作为模型糖蛋白进行了概念验证,建议后续研究拓展到其他具有临床诊断意义的糖蛋白标志物的检测,如癌症、自身免疫性疾病、心血管疾病和神经退行性疾病相关的糖蛋白标志物。
(2) 本研究采用了MIL-101(Cr)-NH2作为支撑基质,未来可尝试其他类型的MOF材料,通过调控MOF的孔径、比表面积、官能团等,优化传感性能。

Electrochemical Impedimetric Platform Based on Con A@MIL-101 for Glycoprotein Detection
文章作者：Qianlan Li and Ke Qu*
DOI：10.1021/acs.langmuir.3c03889
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c03889

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