引言
近日，華東科技大學的 Lei Jiang,Ruo-Can Qian,Da-Wei Li等人在《Analytical Chemistry》期刊上發表了題目為「In Situ Monitoring of Hydrogen Peroxide Released from Living Cells Using a ZIF-8-Based Surface-Enhanced Raman Scattering Sensor」的研究論文。該文構建了一種快速、高選擇性的基於沸石咪唑酸鹽框架-8(ZIF-8)的表面增強拉曼散射傳感器,該傳感器可以在1min內快速檢測過氧化氫，檢測限為0.357nM。由於基於ZIF-8的SERS傳感器對過氧化氫的高效富集和選擇性響應，它在過氧化氫分泌相關的生物傳感和早期疾病診斷領域顯示出了廣闊的治療潛力。
研究內容
1、實驗原理
該文開發了一種基於沸石咪唑酸鹽框架-8(ZIF-8)的表面增強拉曼散射(SERS)傳感器，該傳感器將ZIF-8沉積在金納米顆粒(AuNPs)上，並連接過氧化氫響應探針分子--2-巰基對苯二酚(2-MHQ)來檢測活細胞釋放的過氧化氫。在該傳感平臺(AuNPs@2-MHQ@ZIF-8)中，多孔ZIF-8選擇性禁止大型生物分子和預濃縮的過氧化氫進入AuNPs和ZIF之間的界面；同時，AuNPs產生了一個強烈的電磁場來增強SERS。如圖1所示，2-MHQ作為一種傳感分子，易受活細胞釋放的過氧化氫的氧化，從而導致2-巰基苯醌(2-MBQ)的形成，因此傳感器發生明顯的SERS變化，檢測限低至0.357nM。由於ZIF-8封裝的AuNPs的等離子體催化活性增強，可以獲得短至1min的響應時間。此外，基於ZIF-8的SERS傳感器可以原位監測肉豆蔻酸磷波(PMA)刺激的活細胞釋放的過氧化氫，而SERS性能沒有明顯衰減。因此，該方法不僅促進了基於MOF的SERS傳感器的發展，而且通過調節探針分子類型來感知活細胞釋放的過氧化氫和其他生物標誌物提供了一種很有發展前景的新途徑。
圖1 實驗原理
2、表徵
如圖2所示，組裝後將AuNPs表面連接到2-MHQ(AuNPs@2-MHQ)上，以讀出可能由過氧化氫存在導致的光譜變化。通過將生長時間從0.5h增加到3h，ZIF薄膜變得更加連續，當時間達到2h時，覆蓋率增加到100%(圖1A-e)。AuNPs上的ZIF薄膜的厚度也可以系統地控制在300~800nm之間(圖1B)。隨著生長時間延長到3h，對氨基硫酚(p-atp)的SERS強度降低了約9%(圖1C)。
圖2 (A)ZIF-8塗層AuNPs隨時間的掃描電鏡圖像（a到f：0、1、1.5、2和3h）的圖像。比例尺對應200nm。(B)不同生長時間的ZIF-8層的厚度分布(a到e：0.5、1、1.5、2和3h)。(C)p-ATP的SERS強度隨ZIF-8生長時間的變化(a到f：0、0.5、1、1.5、2和3h)。數據用三個實驗的平均±標準誤差表示。
如圖3所示，ZIF-8薄膜通過構建一個連續的保護層來保持AuNPs周圍的電磁場(圖3A-a)。相應的能量色散x射線光譜(EDS)映射圖像和光譜(圖3A-b、B)表明，AU、Zn、O、N在SERS傳感器中分布均勻。用x射線粉末衍射法進一步證實了其晶體結構（圖3C）。為了進一步獲得ZIF-8封裝後的元素組成，我們進行了x射線光電子能譜(XPS)測量。如圖2D-b所示，由於ZIF-8層的存在，出現了n1s(395−410eV)和Zn2p(1015−1050eV)XPS信號。因此，XPS的研究結果清楚地表明，AuNPs@2-MHQ@ZIF-8不存在外來元素。
圖3 (a)AuNPs@ZIF-8SERS傳感器的SEM顯微圖，(b)AuNPs@ZIF-8的SDS元素映射。比例尺對應500nm。(B)AuNPs@ZIF-8的EDS光譜。(C)AuNPs(a)、ZIF-8(b)和AuNPs@ZIF-8(c)的XRD模式。(D)AuNPs@2-MHQ(a)和AuNPs@2-MHQ@ZIF-8(b)的XPS光譜。
3、AuNPs@2-MHQ@ZIF-8的傳感性能探究
如圖4A、B所示，過氧化氫濃度增加到I476的值隨著過氧化氫濃度增加到1mM而增加，之後沒有進一步明顯的變化。此外，I982/I476在1nM−1mM範圍內與過氧化氫的對數濃度有近似線性依賴性，檢測限估計為0.357nM。與AuNPs@2-MHQ從100nM到1mM的線性關係，檢出限為68nM(圖4C，D)。如圖4E所示，與單獨的過氧化氫相比，AUNPs@2-MHQ@ZIF-8的SERS信號的變化可以忽略不計。由於過氧化氫比ZIF-8的孔隙要小，它可以通過ZIF層到達AuNP表面。然而，當使用AuNPs@2-MHQ時，對過氧化氫的響應信號不同程度地下降(圖4F)，這可能是由於生物分子在金屬納米顆粒表面的快速吸附效應，從而阻斷了過氧化氫的訪問。相比之下，AuNPs@2-MHQ@ZIF-8對大分子表現出理想的尺寸排斥效應，可以儘量減少來自複雜環境的信號幹擾。
圖4.(A)在不同濃度（a−j：0、0.1nM、1nM、10nM、100nM、1μM、10μM、100μM、10mM、10mM）下與過氧化氫反應後的AuNPs@2-MHQ@ZIF-8後的SERS光譜。(B)I982/I476根據 A得到的對數濃度。。(C)在不同濃度(a−h：0、50nM、100nM、1μM、10μM、100μM、1mM和10mM)下與過氧化氫反應的AuNPs@2-MHQ反應後的SERS光譜。(D)I982/I476根據 C得到的對數濃度。(E)在不同生物物種（a至i：過氧化氫、GOx（1U/L）存在下和(F)@100μM過氧化氫）、GGT（1U/L）、1U/L）、尿酸酶（1U/L）、BSA（1g/L）、DMEM、FBS、人尿液和人血液）下的SERS響應。數據以三個實驗的平均±標準誤差表示。
5、對活細胞釋放的過氧化氫的原位SERS監測
該文通過AuNPs@2-MHQ@ZIF-8SERS傳感器對PMA刺激下細胞釋放的ROS進行監測(圖5B)。在加入3μg/mLPMA後，實時監測不同刺激時間下過氧化氫水平的變化。如圖5D所示，10min刺激後，過氧化氫水平較高。大約30min後，I982/I476值增加了兩倍以上。此外，與受刺激的細胞相比，未受刺激的細胞隨著時間的推移，SERS信號的變化可以忽略不計(圖6D(i)-a、b)。該文還評估了AuNPs@2-MHQ@ZIF-8在PMA刺激60min後監測不同細胞濃度下過氧化氫水平的可行性。從圖5E中可以看出，I982/I476隨著細胞濃度的增加而增加。即使在單細胞水平上，在982cm−1處的峰值仍然可以被識別出來，這表明SERS傳感器具有監測單細胞釋放的過氧化氫水平的良好能力。
圖5(A)在Hela細胞中，參與PMA氧化還原調節激活的信號通路示意圖。(B)在PMA刺激下，由AuNPs@2-MHQ@ZIF-8SERS傳感器監測釋放的ROS的方案。(C)(i)不同PMA刺激濃度（a至e：對照（無PMA）、0.5、1.5、3和6μg/mL）下吸附在傳感器上的細胞SERS譜；(ii)I982/I476與PMA濃度。細胞濃度為105次/毫升。(D)(i)不同PMA刺激時間下吸附在傳感器細胞的SERS光譜（a：細胞初始播種；b：無PMA接種細胞2h；c至f：10、30、60和90min）；(ii)I982/I476與PMA刺激時間。細胞濃度為105次/毫升。(E)（i)以不同細胞濃度（a至g：1、10、102、103、103、104、105和106個計數/mL）吸附在傳感器上的細胞的SERS光譜；(ii)I982/I476與細胞濃度相比。數據用5次實驗的平均±標準誤差表示。
總結
該文中AuNPs@2-MHQ@ZIF-8SERS傳感器，通過將SERS技術強大的選擇性識別能力與ZIF的高效富集相結合，設計的SERS傳感器對過氧化氫表現出顯著的SERS傳感性能，檢出限低至0.357nM。而且由於ZIF-8嵌入的AuNPs增強了等離子體的催化活性，該SERS傳感器的響應時間短至為1min，為原位監測活細胞釋放的過氧化氫提供了一種更為準確的方法。
編輯：楊格格
審核：陳 英
推送：楊格格