纳米级镧系金属配位聚合物作为超灵敏的生物探针，用于时间分辨荧光免疫分析

《Journal of Luminescence》：Nanosized lanthanide coordination polymers as ultrasensitive bioprobes for time-resolved luminescent immunoassays

稀土配合物纳米探针用于前列腺特异性抗原的极低检测限时间分辨免疫分析

　　

罗黄|任志晓|刘星阳|卢珊|李星军|顾晓波|刘艳|周善勇|徐金|涂达奥|陈学渊

福州大学化学学院，中国福州350116

摘要

镧系配位聚合物（LnCPs）由于其独特的光学性质（包括强配体敏化的光致发光和较长的发光寿命）在生物医学领域受到了广泛关注。然而，它们的实际应用，特别是在发光免疫分析（LIA）中，受到纳米尺度调控和水介质中发光稳定性的限制。本文采用联苯-3,4’,5-三羧酸（H₃BPT）作为有机配体，制备了一类独特的纳米级LnCPs（Ln = Eu/Tb）。以Eu-BPT CPs为主要研究对象，我们对其可控合成、结构和光谱特性以及水中的稳定性进行了深入研究。最终，将这些生物共轭的Eu-BPT纳米探针成功应用于前列腺特异性抗原的时间分辨LIA检测，实现了105 fg·mL^-1

引言

发光免疫分析（LIA）因其高特异性、准确性和方法普适性而成为现代体外诊断系统的核心技术[1]、[2]。对疾病标志物（如抗原、激素和核酸）的超灵敏检测对于及时临床干预、预后评估和治疗监测至关重要[3]。然而，传统的发光生物探针（如有机荧光染料和量子点）受到生物自荧光背景干扰的严重阻碍[3]、[4]、[5]。因此，开发能够实现无背景干扰检测的新型发光探针对于提高LIA性能至关重要。

镧系配位聚合物（LnCPs）通过镧离子（Ln³⁺）与有机配体的配位作用构建，作为一类有前景的发光材料而受到广泛关注[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。LnCPs的一个关键优势在于它们能够将Ln³⁺的固有光致发光（PL）特性（如长发光寿命、窄发射带和大的斯托克斯位移）与有机配体的强光捕获能力通过“天线效应”结合起来[11]、[12]。与具有相似光学性质的小分子镧系螯合物相比，LnCPs在结构上更为稳定，并且具有显著更高的发光体密度，从而在免疫分析中实现高标记度和信噪比。尽管具有这些有利的PL特性，LnCPs在LIA中的应用仍然相对较少，且存在一些关键挑战阻碍了其实际应用。LnCPs需要在水介质中保持强烈的稳定发光。然而，大多数CPs的水分散性较差，甚至水本身也可能影响CPs的配位环境并抑制其发光[8]、[13]、[14]。另一方面，由于镧离子的高配位数和灵活的配位几何结构，精确控制LnCPs的形态和尺寸仍然具有挑战性[15]、[16]、[17]。过大的探针会因空间位阻而无法被免疫系统识别，而发光较弱且不均匀的探针则会直接降低单个免疫复合物的信号检测能力[18]、[19]。

在本研究中，我们使用联苯-3,4',5-三羧酸（H₃BPT）作为有机配体，合成了一种独特的LnCPs纳米探针。通过精确调控合成参数（包括前体浓度、溶剂热温度和时间），获得了尺寸均匀的LnCPs纳米球。得益于BPT配体的天线效应，实现了纳米级Eu-BPT CPs的高效发光。系统的表征进一步明确了水分子对Eu-BPT CPs结构和发光特性的影响。对Eu-BPT CPs进行了表面修饰，以保持其在水介质中的纳米级形态，并引入氨基以便进一步进行生物分子共轭。这些Eu-BPT纳米探针被用于时间分辨（TR）LIA检测，以前列腺特异性抗原（PSA）作为代表性指标。

化学试剂和材料

碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量40000）购自中国国药化学试剂有限公司。Eu(NO₃)₃·6H₂O（99.9%）、Tb(NO₃)₃·6H₂O（99.9%）和H₃BPT购自中国Adamas Reagent有限公司。1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（盐酸盐）（EDC）、亲和素、生物素、牛血清白蛋白（BSA）、免疫球蛋白G（IgG）、人血清白蛋白（HSA）和N-羟基磺基琥珀酰亚胺也购买了这些试剂。

纳米级Ln-BPT（Ln = Eu/Tb）CPs的可控合成

研究表明，H₃BPT配体具有强紫外吸收和优异的配位能力，使其成为有效的能量供体，可用于敏化镧离子[20]、[21]、[22]。然而，以往关于Ln-BPT CPs的研究主要集中在单晶块体材料上，其作为纳米探针的潜力尚未得到充分探索[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。因此，我们开发了一种简单可控的合成方法，通过水热法制备了纳米级Ln-BPT CPs。

结论

总之，我们制备了用于超灵敏PSA检测的独特Eu-BPT发光纳米探针。通过精确控制合成参数（尤其是前体浓度），制备出了尺寸均匀的Eu-BPT纳米球。H₃BPT配体的天线效应使Eu³⁺表现出强烈的红色发光，整体量子产率为22.7%。低温光谱分析显示，Eu-BPT CPs中的Eu³⁺离子位于低对称性位点，并存在于多种配位环境中。

作者贡献声明

任志晓：实验研究、数据分析。陈学渊：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源获取、资金申请。罗黄：撰写初稿、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。刘艳：数据可视化、方法设计。周善勇：数据可视化、方法设计。徐金：数据可视化、方法设计。涂达奥：数据可视化、方法设计。刘星阳：数据可视化、方法设计。卢珊：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：12174392、22175179、22135008、U22A20398）和福建省自然科学基金（项目编号：2025J010048、2026I0044、2023J05072）的支持。