通过界面工程设计的Au@ZIF-8核壳纳米结构，实现等离子体增强、分子筛选和光催化再生的协同效应

《Applied Surface Science》：Interface-engineered Au@ZIF-8 core–shell nanostructures for synergistic plasmonic enhancement, molecular sieving, and photocatalytic regeneration

基于Au@ZIF-8核心壳纳米结构的表面等离子体共振（SPR）生物传感器通过整合光热增强、分子筛分和光催化自清洁机制，解决了灵敏度、抗干扰性和可重复使用性的技术瓶颈，在尿酸检测中实现3.28×10-10 M检测限和92.2%再生循环稳定性。

　　

刘润成|严洁|杨文|曲翠云|蒋明顺

山东大学控制科学与工程学院，济南250061，中国

摘要

生物流体中代谢物的敏感检测受到表面相关挑战的制约，包括富集不足、非特异性吸附以及界面耐久性差等问题。本文提出了一种基于三功能Au@ZIF-8核壳纳米结构的表面等离子体共振（SPR）生物传感器界面工程策略。通过将等离子体增强、分子筛分和光催化活性整合到单一界面中，该结构同时解决了灵敏度、选择性和可重复使用性之间的权衡。ZIF-8壳层作为尺寸选择性的分子筛，用于目标分子的富集和蛋白质的排除，而等离子体金核则提供电磁场增强，并能够驱动吸附物质的光催化降解。采用有限元模拟分析了界面光学响应和近场分布，定量揭示了场限制与分子捕获体积之间的相互作用，从而确定了最佳壳层厚度。将该界面集成到倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）-SPR平台上，并使用尿酸进行了验证。该系统显示出3.28×10^-10 M的检测限，在人工血清中的回收率为93.4%，经过十次可见光驱动的再生循环后信号保留率超过92.2%。这项工作为复杂生物环境中的高保真感测建立了一个通用、稳健且可再生的界面框架。

引言

血液中内源性小分子的波动为代谢状态和疾病提供了直接窗口，因此对临床诊断和慢性病管理至关重要[1]、[2]。在这些分析物中，尿酸（UA）是嘌呤代谢的最终产物，与痛风、肾功能障碍和心血管代谢疾病等主要健康问题密切相关[3]、[4]、[5]、[6]。随着高尿酸血症成为全球第二大常见代谢疾病，迫切需要为高风险人群提供长期的动态即时检测（POCT）[7]。传统的实验室技术，如高效液相色谱、气相色谱和质谱分析，虽然精度高，但依赖于昂贵的仪器、复杂的样品预处理和受控的实验室环境，导致分析周期较长[8]。这些限制阻碍了它们在实时、便携式、现场分析中的应用，而这对POCT来说至关重要。因此，一个能够耐受复杂生物基质、最小化预处理并提供快速响应的传感平台仍然是小分子检测的关键技术目标。

为了解决传统方法的局限性，近年来出现了多种新型生物传感技术，包括电化学、表面增强拉曼散射和基于荧光的传感器[9]、[10]、[11]。然而，将这些先进策略转化为实际设备仍受到一些持续存在的挑战的制约，例如对生物流体中低丰度目标的灵敏度不足、对脆弱生物识别元件的依赖以及易受环境干扰。在这种情况下，基于倾斜光纤布拉格光栅的表面等离子体共振（TFBG-SPR）传感提供了一个理想的物理平台来突破这一困境。它具有高折射率灵敏度、无需标记的操作以及内在的自参考特性，可以减轻温度和应变的干扰[12]、[13]、[14]。然而，TFBG-SPR传感器的最终性能在很大程度上取决于其功能化的传感界面。对于临床相关的血清分析，该界面必须同时解决三个相互关联的挑战：（i）传统识别层与小分子之间的弱且不均匀的相互作用[8]；（ii）来自富含蛋白质基质的严重非特异性吸附；（iii）不可逆的表面饱和，这阻碍了重复使用和连续监测。因此，在单一界面内整合无探针识别、有效的抗污染能力和原位再生仍然是基于表面的生物传感的核心挑战。

金属有机框架（MOF）因其有序的微孔结构、可调的孔径和较大的表面积而具有吸引力，能够实现小分子的预浓缩和较大干扰物的排除。将MOF嵌入传感区域可以增强无探针捕获能力，同时减少生物污染[15]、[16]。然而，调节MOF薄膜厚度涉及一个根本的权衡：过厚的MOF层会减弱衰减场并降低等离子体灵敏度，而厚度不足则会影响富集能力[17]。结合等离子体金核和MOF壳层的核壳结构提供了一种实用的解决方案[18]、[19]。金核产生局域表面等离子体共振（LSPR），在壳层内创建传感热点，补偿了场穿透的减少，同时保持了富集和筛分功能。此外，在可见光照射下，纳米结构可以生成能量载体和反应性物种，驱动吸附有机污染物的温和光催化降解[20]、[21]、[22]。这种光催化自清洁机制为传感器再生提供了一种简单且环保的方法，从而解决了长期监测的可持续性问题[23]、[24]。尽管这些机制具有互补性，但在单一精确设计的纳米系统中实现富集、抗污染和再生之间的高效协同作用仍需要系统地耦合和优化壳层厚度、局部场分布和表面化学性质。这些关键参数如何共同决定界面性能的系统理解在很大程度上尚未被探索。

在这项工作中，我们通过将Au@沸石咪唑酸盐框架-8（Au@ZIF-8）核壳纳米颗粒（NP）集成到TFBG-SPR平台上，构建了一个三功能传感界面，并系统地优化了其光子和材料参数。有限元模拟量化了等离子体场增强与有效吸附体积之间的权衡，作为ZIF-8壳层厚度的函数，并引入了一个增强因子指标来确定协同耦合的设计窗口。在这些模拟的指导下，我们实验确定了实际的最佳参数，并证明了优化后的界面实现了同时增强的灵敏度、尺寸排除抗污染能力和光催化自再生。使用尿酸作为模型分析物，该传感器达到了3.28×10^-10 M的检测限，在加标血清中的回收率为93.4%，经过多次再生循环后信号保留率为92.2%。通过调节孔径和表面化学性质，该设计可轻松适用于其他代谢物，为复杂生物介质中的可持续、高性能生物传感提供了一种通用的界面策略。

材料与试剂

2-甲基咪唑（2-MIM）、2-氨基苯咪唑（2-amBzIM）、硫代甘醇酸（TGA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量=55,000）、磷酸盐缓冲液（PBS）、人血清白蛋白（HSA）和免疫球蛋白G（IgG）购自上海阿拉丁生化技术有限公司。1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）购自麦克林生化有限公司（上海，中国）。氯金酸（HAuCl4·3H2O）、柠檬酸钠（C

传感器表征

富集、抗污染和再生能力的整合依赖于Au@ZIF-8核壳纳米结构的精确制备。我们通过系统地改变前体浓度来合成这些具有可调壳层厚度的结构。我们使用SEM检查了用Au@ZIF-8 NP修饰后的TFBG传感器表面的形貌（图1a）。高倍率俯视图像（图1b）进一步证实了Au@ZIF-8 NP的均匀分布

结论

在这项研究中，我们提出了一种用于检测复杂生物基质中小分子代谢物的新型高性能SPR生物传感器设计范式。这一策略的核心是合理设计了一种三功能Au@ZIF-8核壳界面，该界面无缝集成了富集增强的灵敏度、尺寸排除抗污染能力和光催化再生功能。这种集成方法成功解决了固有的权衡问题

CRediT作者贡献声明

刘润成：撰写——原始草稿，数据管理，概念化。严洁：验证，软件。杨文：软件，资源。曲翠云：资源，资金获取。蒋明顺：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金青年科学家基金（资助编号：82502829）、国家自然科学基金（资助编号：62373215和62373219）、山东省自然科学基金（资助编号：ZR2024QH377）以及山东省博士后创新计划（资助编号：SCCX-ZG-202502073）的支持。