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英文标题：Engineering conductive covalent-organic frameworks enable highly sensitive and anti-interference molecularly imprinted electrochemical biosensor
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117195
成果简介
共价有机框架（COFs）在电化学传感领域引起了广泛关注。然而，大多数COFs被用作富集单元或反应载体，并与金属纳米材料共同修饰电极，鲜有研究将单一纯净的COFs直接用作电化学信号放大器。氮杂稠环π共轭COFs具有优异的信号增强特性，是电化学传感应用中有效的电子传输层。本研究通过合成工程优化了多种导电性氮杂稠环π共轭COFs。其中，导电性最高的二维晶态COF4（相较于裸电极，电流响应提升240%）被用于修饰丝网印刷碳电极，构建了一种便携式分子印迹电化学生物传感器，用于谷胱甘肽的即时检测。与传统的金纳米颗粒共修饰策略相比，单一导电COF4电化学传感器表现出优异的检测性能，并对硫醇类干扰物具有更好的选择性。导电COFs与分子印迹聚合物相结合，为构建低成本、易制备、易操作、高灵敏和高选择性的电化学生物传感器提供了一种有前景的策略。
研究亮点
首创单一导电COF直接作为信号放大器：摒弃传统将COF仅作为载体或与贵金属共修饰的策略，首次利用纯的氮杂稠环π共轭COF（COF4）作为电化学信号放大层，无需引入金/银等贵金属纳米材料，简化了传感器构筑流程。
通过合成工程优化COF导电性：系统调控溶剂极性和调节剂，合成出多种导电COF，并筛选出导电性最佳的二维晶态COF4（可使裸电极电流响应提升240%），为高性能传感提供了关键材料基础。
显著抗硫醇干扰能力：相较于共修饰Au NPs的传感器，单一COF修饰的分子印迹传感器对含硫醇干扰物（如半胱氨酸、同型半胱氨酸）的抗干扰能力提升了340%，归因于避免了Au–S键对模板的非特异性捕获，解决了该类传感器在含硫醇环境中普遍存在的选择性难题。
高灵敏宽线性范围检测：在1–1000 μM范围内对谷胱甘肽（GSH）呈良好线性响应，检测限低至0.191 μM，且重现性（RSD 0.27%–1.16%）和稳定性（存放一周后信号保留97.6%）优异。
成功应用于实际血清样本：在人血清加标回收实验中回收率达104.8%–107.1%，验证了该传感器在临床即时检测（POCT）场景中的可靠性。
低成本、易制备、便携化潜力：采用丝网印刷碳电极（SPCE），结合原位电聚合MIP技术，制备简便，无需复杂纳米材料合成，具备良好的批量化生产和便携式设备集成前景。
图文解析
图1. 单一COF修饰的分子印迹电化学传感器的制备及GSH检测示意图。（a）COF4的合成；（b）单一COF修饰的分子印迹电化学传感器对GSH的即时检测；（c）传感器制备和GSH检测过程中工作电极表面的不同阶段：裸电极、COF修饰电极（COF4/SPCE）、未进行电洗脱的原位MIP电聚合COF4/SPCE、电洗脱后的MIP电聚合COF4/SPCE（MIP/COF4/SPCE）、孵育样品后捕获GSH的MIP/COF4/SPCE。
图2. （A）COF4的扫描电子显微镜（SEM）图像；（B）COF4的能谱仪（EDS）元素分布图（元素：C、N和O）；（C）COF4的透射电子显微镜（TEM）图像；（D）COF4的X射线光电子能谱（XPS）全谱图；（E）COF4的C1s高分辨率XPS谱图；（F）COF4的N1s高分辨率XPS谱图。
图3. （A）不同修饰SPCE的循环伏安（CV）表征和（B）微分脉冲伏安（DPV）表征，其中（a）裸SPCE，（b）COF4/SPCE，（c）电聚合后的MIP/COF4/SPCE，（d）电洗脱后的MIP/COF4/SPCE，（e）在50 μM GSH中孵育6 min后的MIP/COF4/SPCE。（C）电聚合循环次数的优化，（D）电聚合扫描速率的优化，（E）电洗脱循环次数的优化，（F）MIP/COF4/SPCE孵育时间的优化。所有测试均在含有0.25 mM [Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻的0.5 mM KCl溶液中进行。误差棒表示三次重复测量的范围。
图4. （A）MIP/Au NPs/COF4/SPCE对不同浓度GSH的DPV曲线：（a）0.1 μM，（b）1 μM，（c）10 μM，（d）50 μM，（e）100 μM，（f）250 μM，（g）500 μM。（B）MIP/Au NPs/COF4/SPCE的剂量-响应曲线。（C）MIP/Au NPs/COF4/SPCE的校准曲线。（D）MIP/COF4/SPCE对不同浓度GSH的DPV曲线：（a）1 μM，（b）5 μM，（c）10 μM，（d）50 μM，（e）100 μM，（f）500 μM，（g）1000 μM。（E）MIP/COF4/SPCE的剂量-响应曲线。
（F）MIP/COF4/SPCE的校准曲线。（G）MIP/COF4/SPCE和NIP/COF4/SPCE对GSH（100 μM）及对照分析物（500 μM）的DPV信号响应（ΔI），对照分析物包括：L-半胱氨酸（L-Cys）、同型半胱氨酸（Hcy）、葡萄糖（Glu）、抗坏血酸（AA）、多巴胺（DA）。（H）MIP/Au NPs/COF4/SPCE和NIP/Au NPs/COF4/SPCE对GSH（100 μM）及对照分析物（500 μM）的DPV响应，对照分析物包括：L-半胱氨酸（L-Cys）、同型半胱氨酸（Hcy）、葡萄糖（Glu）、抗坏血酸（AA）、多巴胺（DA）。（I）MIP/COF4/SPCE和MIP/Au NPs/COF4/SPCE的选择性比较。所有测试均在含有0.25 mM [Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻的0.5 mM KCl溶液中进行。误差棒表示三次重复测量的范围。
图5. （A）MIP/COF4/SPCE和MIP/Au NPs/COF4/SPCE的合成流程示意图。（B）MIP/COF4/SPCE的EDS元素分布图（叠加图，Au和S）。（C）MIP/Au NPs/COF4/SPCE的EDS元素分布图（叠加图，Au和S）。
研究结论
本研究针对传统分子印迹电化学传感器因致密印迹膜导致导电性差、以及引入贵金属纳米材料易受硫醇等生物分子干扰的两大痛点，提出了一种基于单一导电共价有机框架（COF）的创新解决方案。研究者通过合成工程优化了多种氮杂稠环π共轭COF，筛选出导电性最优的二维晶态COF4，并将其直接修饰于丝网印刷碳电极表面，随后以谷胱甘肽（GSH）为模板、邻苯二胺为功能单体，通过原位电聚合构建了分子印迹传感器（MIP/COF4/SPCE）。系统表征表明，COF4的优异导电性源于其长程π–π堆积和扩展的π共轭体系，能显著促进电极界面电子转移。性能测试显示，该传感器对GSH的检测线性范围为1–1000 μM，检测限达0.191 μM，且对半胱氨酸、同型半胱氨酸等硫醇类干扰物表现出远超传统Au NPs修饰传感器的选择性（抗干扰能力提升340%），归因于纯COF表面避免了Au–S键对模板的非特异性吸附，从而保证了印迹空腔的特异性识别。此外，该传感器在人血清样本中加标回收率良好，重现性和稳定性均满足实际应用需求。该工作不仅为无贵金属、高选择性电化学生物传感器提供了新策略，也展示了导电COF与分子印迹技术结合在低成本、便携式即时检测中的广阔前景。未来可进一步集成便携式电化学工作站和手机应用程序，推动其向临床现场检测方向转化。
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