Food Chem：荧光-电化学双模式生物传感器实现L-半胱氨酸可视化检测

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英文标题：Construction of dual-mode bimetallic MOF/carbon fiber biosensor and its application in visual detection of L-cysteine

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2026.151575

成果简介

近期，一项发表于 Food Chemistry (2026, 532, 151575)、由武汉纺织大学与湖北医药学院联合完成的工作，针对L-半胱氨酸的痕量检测需求展开了研究。L-半胱氨酸作为含巯基氨基酸，参与代谢调控、氧化还原稳态与解毒过程，其水平异常与生长迟缓、神经毒性、阿尔茨海默病及心血管疾病密切相关；同时，它在食品和化妆品工业中广泛用作抗氧化剂与面团成型剂。因此，开发简便、灵敏、可靠的痕量检测方法具有重要现实价值。然而，现有质谱、液相色谱、毛细管电泳及伏安法普遍受限于灵敏度不足、操作繁琐、耗时长；单模态检测易受环境干扰且可靠性有限；现有的双模态方案又受制于TMB储存条件苛刻或基底刚性、机械性能差，难以满足可穿戴场景的需求。为此，研究团队引入金属有机框架（MOF）材料，巧妙利用Zn基MOF生物相容性好、发光性能优异，与Ni基MOF电化学活性突出、能加速电子转移的互补特性。通过一锅水热法，在预处理碳纤维表面原位生长出由纳米片组装而成、直径约 1 μm 的纳米花状ZnNi双金属MOF（最优合成条件为金属盐比例2:1、150 ℃、12 h），最终成功构建出兼顾荧光、电化学与手机取色三条通道的柔性传感平台。

研究亮点

性能互补：电化学 1 nM–1 μM，LOD 0.017 nM；荧光 1 μM–1 M，LOD 0.89 μM——两个模态的浓度区间几乎首尾相接，宽跨度覆盖
可视化：荧光颜色随浓度由蓝变青（428.2 → 442.2 nm），手机 App 提取 RGB 中的 G 值定量，R² = 0.9630，无需大型仪器
柔性/可加工：除碳纤维外，还做成湿法纺丝发光纤维（断裂应变 710%、强度约 20 MPa）、海藻酸钙水凝胶微球、滤纸/织物载墨，均可织、可弯

图文解析

示意图1 L-cys传感器的制备及其应用示意图。（a）ZnNi-MOF的制备过程。(b)在荧光、电化学和RGB模式下检测L-cys。（c）ZnNi-MOF材料可应用于L-cys的湿法纺丝和水凝胶微球检测。

图1：（a）碳纤维，（b）ZnNi-MOF@CF在低放大倍数下的SEM图像。（c）高倍下的ZnNi-MOF@CF。（d）ZnNi-MOF的EDS图像和各元素的分布图。（e）ZnNi-MOF的TEM图像。（f）ZnNi-MOF的衍射图像。

图2：（a）ZnNi-MOF和NH₂BDC的FT-IR光谱，（b）ZnNi-MOF的总XPS光谱，（c）Ni 2p的高分辨XPS光谱，（d）Zn 2p的高分辨XPS光谱，（e）ZnNi-MOF和NH2BDC的XRD图，（f）ZnNi-MOF的TG和DTG图。

图3：（a）ZnNi-MOF粉末在阳光和紫外光下的图像，以及在紫外光照射下有和没有L-cys的ZnNi-MOF@CF的图像。（b）含有不同浓度L-cys的ZnNi-MOF溶液在紫外光下的荧光照片。（c）ZnNi-MOF@CF在不同激发波长下的荧光光谱。（d）不同L-cys浓度的ZnNi-MOF@CF的荧光光谱。（e）不同L-cys浓度的ZnNi-MOF@CF的荧光校准曲线。（f）ZnNi-MOF@CF的荧光稳定性图。（g）滴加0、100μM和100mM L-cys后ZnNi-MOF的CIE图。（h）不同ZnNi-MOF@CF样品的荧光再现性。（i）ZnNi-MOF@CF与不同物质的荧光响应直方图。

图4：（a）NH₂BDC、ZnNi-MOF和ZnNi-MOF+L-cys的紫外吸收光谱。（b）ZnNi-MOF和ZnNi-MOF+L-cys的荧光衰减曲线。（c）ZnNi-MOF、ZnNi-MOF+L-cys的传感机理图。（d）ZnNi-MOF、ZnNi-MOF+L-cys和L-cys的Zeta电位。（e）L-cys的紫外-可见吸收光谱和ZnNi-MOF的荧光发射光谱。（f）ZnNi-MOF和不同浓度L-cys的紫外光谱。（g）ZnNi-MOF与L-cys反应的机理图。

图5：（a）CF和ZnNi-MOF@CF的CV曲线。（b）CF和ZnNi-MOF@CF的EIS曲线。（c）ZnNi-MOF@CF在不同扫描速率下的CV曲线。（d）CF和ZnNi-MOF@CF的DPV曲线。（e）不同L-cys浓度的ZnNi-MOF@CF的DPV图。（f）电流比和L-cys浓度之间的线性关系。（g）不同ZnNi-MOF@CF在相同L-cys浓度下的电流变化值。（h）不同时间相同L-cys浓度的ZnNi-MOF@CF的电流变化值。（i）ZnNi-MOF@CF传感器对不同物质的选择性。

研究结论

本研究采用一锅溶剂热法在碳纤维上成功合成了均匀纳米花ZnNi-MOF材料。基于这种材料，建立了一种双模荧光和电化学传感方法，用于快速、特异性地分析L-cys。在荧光模式下，该方法可检测1μM至1M浓度范围内的L-cys，检出限为0.89μM。在电化学模式下，检测范围为1nM至1μM，检测限低至0.017nM，线性相关系数R2=0.9804。两种模式均表现出优异的特异性、高灵敏度、良好的稳定性和重现性。该方法还可用于实际样品（如人体汗液和牛奶）中L-cys的检测，回收率为93%-114%，RSD低于5.32%，表现出优异的实际检测能力。此外，合成的ZnNi-MOF可以制备成发光纤维、水凝胶微球或用作发光油墨。可应用于检测、服装、防伪等领域。结合手机软件，可以瞬间读取不同浓度的RGB值，实现良好的视觉检测。该方法构建了一个多功能应用平台。制造的光纤器件在可穿戴电子、医疗检测和智能服装领域显示出巨大的潜力。

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