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英文标题：Cu/Cu2O-embedded carbon from Cu-MOF integrated with MWCNTs-COOH for sensitive levodopa detection in biological samples
成果简介
帕金森病（PD）是一种进行性神经退行性疾病，涉及黑质中多巴胺能神经元的退化。2021 年全球患病率约为 1190 万，预计到 2050 年将达到 2520 万。左旋多巴（L-DOPA）作为多巴胺的直接前体，仍是控制 PD 运动症状的主要药物选择，这主要归功于其跨越血脑屏障的能力。然而，长期的 L-DOPA 治疗受到两个相互交织的挑战的阻碍：芳香族 L-氨基酸脱羧酶引发的外周广泛脱羧会产生无法穿过血脑屏障的多巴胺，从而产生剂量限制性副作用；传统的固定剂量方案无法适应药物代谢的个体间差异，常导致治疗效果欠佳。这些问题迫切需要进行治疗药物水平的实时监测，以实现个性化剂量滴定。
用于 L-DOPA 定量的常规技术，包括毛细管电泳、液相色谱-电喷雾电离质谱、高效液相色谱和荧光光谱法，提供了优异的灵敏度和特异性。然而，它们依赖昂贵的仪器、复杂的样品前处理和熟练的操作人员，使其不适合即时（POC）或床旁检测。这一技术空白推动了对便携、快速且经济高效的分析工具的探索。电化学传感在 POC 应用中特别有吸引力，在微型化、经济性、快速响应和高灵敏度方面具有固有优势。尽管如此，裸电极通常表现出缓慢的电子转移和对 L-DOPA 氧化的低电化学活性，因此需要开发先进的电极修饰剂来增强传感性能。
近日，湖南工大智能传感与脑机接口团队报道了一种基于Cu-MOF衍生的Cu/Cu₂O嵌入碳/羧基化多壁碳纳米管（C-Cu-MOF/MWCNTs-COOH）的灵敏、高选择性的 L-DOPA 电化学传感器。设计原理集中于一个协同异质界面，其中每个组件发挥不同的功能。嵌入碳基质中的 Cu2O 物种提供 Cu+路易斯酸位点，而金属 Cu0位点和导电碳骨架促进快速的界面电子转移。同时，掺入的 MWCNTs-COOH 构建了三维导电网络，将孤立的 C-Cu-MOF 颗粒互连，确保活性位点的完全电化学可及性。这种协同架构不仅增强了灵敏度，而且由于 Cu+对儿茶酚结构相对于UA 嘌呤骨架的选择性亲和力，有效解决了生物基质中 L-DOPA 与尿酸干扰的分离这一主要挑战。为了实现这一设计，通过水热合成 Cu-MOF，随后进行高温热解并与 MWCNTs-COOH 整合以形成互连导电网络，制备了 C-Cu-MOF/MWCNTs-COOH 复合材料。系统地研究了所得传感器对 L-DOPA 的电化学性能，并通过人血清和尿液样品验证了其实际应用性。这项工作建立了一个可靠的 L-DOPA 检测平台，并进一步证明了设计 MOF 衍生异质界面为先进生物传感应用提供了一种有前景的策略。
研究亮点
创新的异质界面设计，解决MOF导电性难题：将Cu-MOF高温碳化得到嵌入Cu/Cu₂O的碳材料，并与MWCNTs-COOH复合，构建出三维导电网络。这不仅保留了MOF的多孔结构，还借助碳管和碳骨架实现了电子的快速传输，显著增强氧化电流。
揭示Cu+路易斯酸协同机制，实现高选择检测：明确Cu2O中的Cu+作为路易斯酸位点，通过可逆配位特异性富集L-DOPA的儿茶酚结构；而Cu0和碳骨架负责电子转移。这种协同作用使传感器能有效区分尿酸（UA）等干扰物，在氧化电位重叠的生物样本中仍保持高抗干扰性。
卓越的分析性能与实用化潜力：该传感器拥有极宽线性范围（0.01–15 μM）、超低检测限（0.007 μM）和21天良好稳定性（保留94.3%），并在人血清、尿液加标回收中取得94.8%–105.2%的回收率。原料廉价、制备简单，为帕金森病治疗药物的床旁快速监测提供了可靠工具。
图文解析
图1.C-Cu-MOF/MWCNTs-COOH/GCE 用于 L-DOPA 检测的制备路线示意图。
图2. (A) Cu-MOF前驱体、(B) 热解后C-Cu-MOF和(C)C-Cu-MOF/MWCNTs-COOH 复合材料的SEM图像。(D) C-Cu-MOF/MWCNTs-COOH 复合材料的低倍 SEM 图像，以及相应的 (E) Cu、(F) C 和 (G) O 的 EDS 元素分布图。(H) Cu-MOF、C-Cu-MOF 和 C-Cu-MOF/MWCNTs-COOH 的 XRD 图谱。
图3. (A) C-Cu-MOF/MWCNTs-COOH 复合材料的 XPS 全谱；以及高分辨率 (B) C 1s、(C) O 1s 和 (D) Cu 2p 谱图。
图4. 使用不同预处理剂（空白、2-MI、SUC、PBS 洗涤后、H2O2）对 C-Cu-MOF/MWCNTs-COOH/GCE 进行预处理后，在 10 μM L-DOPA 中的 DPV 响应。
图5. (A) C-Cu-MOF/MWCNTs-COOH/GCE 在不同扫描速率下在 10 μM L-DOPA 中的 CV 曲线。(B) 阳极和阴极峰电流与扫描速率的关系。(C) 峰电流对数与扫描速率对数的关系。(D) 阳极和阴极峰电位与扫描速率对数的关系。(E) L-DOPA 在 C-Cu-MOF/MWCNTs-COOH/GCE 上的电氧化机制示意图。
图6. (A) 不同电极在 5 mM [Fe(CN)6]3-/4-中的 CV 曲线。(B) 相应的奈奎斯特图。(C) 不同电极在 10 μM L-DOPA 中的 DPV 曲线。(D) 相应的柱状图。(E) C-Cu-MOF/MWCNTs-COOH/GCE 在不同浓度 L-DOPA下的 DPV 曲线。(F) 阳极峰电流与 L-DOPA 浓度的校准曲线。
图7. 修饰电极的 (A) 重复性（单次电极连续 10 次 DPV 测量）、(B) 重现性（5 支独立制备的电极）、(C) 长期稳定性（储存 21 天内的 DPV 响应）；(D)–(F) 为相应的柱状图及 RSD 值。
图8. (A) 单独干扰物（UA、DA、AA、L-Ala、L-Cys 等）的 DPV 响应；(B) 干扰物与 10 μM L-DOPA 共存的 DPV 响应；(C) 单独干扰物的峰电流比较；(D) 共存干扰物存在下 L-DOPA 的峰电流保留率。
图9. (A) 人血清和 (B) 人尿液空白及加标样品的 DPV 曲线；(C) 血清和 (D) 尿液中加标浓度与峰电流的校准曲线。
研究结论
本研究基于C-Cu-MOF/MWCNTs-COOH复合材料成功构建了一种用于灵敏检测L-DOPA的可靠电化学传感器。Cu-MOF衍生的碳嵌入了Cu和Cu2O，提供了一个功能协同的界面。Cu2O组分中的 Cu+物种通过路易斯酸碱相互作用作为 L-DOPA 富集的配位中心，而 Cu0位点和碳骨架促进界面电子转移。MWCNTs-COOH 构建了三维导电网络，确保长程电荷传输，最大化这些活性位点的电可及性。这种协同架构结合了Cu2O的分子识别能力与 Cu0、碳骨架和MWCNTs-COOH提供的导电通路，赋予修饰电极对L-DOPA显著的电氧化性能，产生了宽广的线性范围（0.01–15 μM）、低检测限（0.007 μM）和令人满意的稳定性（21 天后保留 94.3%）。值得注意的是，该传感器有效解决了生物基质中L-DOPA与UA干扰的分离这一主要挑战。通过人血清和尿液样品中94.8–105.2%的回收率验证了实际适用性。这些结果表明，合理设计 MOF 衍生异质界面为先进电化学生物传感提供了一种有前景的策略。此外，使用市售且廉价的原材料，结合简单的制造工艺，表明了其在成本效益生产和 POC 应用方面的良好潜力。虽然当前研究侧重于稀释生物液体中的加标回收测试，但未来的工作将解决全面的生物相容性评估、生理相关环境中的实时监测、连续运行下的长期稳定性以及面向临床转化的制造方法的可扩展性。
作者简介
第一作者：马楠柯，研究生导师，毕业于浙江大学化学工程与技术专业，获工学博士学位。2018-2019年在中国五环工程有限公司（原化工部第四设计院）工艺部担任工艺设计师。研究方向主要是膜材料的制备与分离性能研究，电化学传感器的构建与痕量检测。主持湖南省自然科学基金青年项目、湖南省教育厅项目、企业横向等多项科研项目。在Journal of Membrane Science、International Journal of Biological Macromolecules、Analytica Chimica Acta、AIChE Journal、Microporous &Mesoporous Materials等国内外知名期刊发表研究论文20余篇。
通讯作者：李广利，副教授（校聘教授），博士生导师，湖南省优秀青年基金获得者，2023-2025连续入选全球前2%顶尖科学家榜单。2011-2016年，武汉大学物理化学专业硕博连读，获理学博士学位。现任湖南工业大学生物与医学工程副院长。曾荣获湖南工业大学“亚辉龙”奖教金（科研育人奖）、湖南工业大学科研新秀、湖南工业大学精英人才、株洲市D类高层次人才、株洲市优秀共产党员、湖南省教师教师党支部书记“双带头人”标兵、湖南省青年骨干教师等荣誉。主要从事电化学与生物医学前沿交叉研究，主要研究方向包括无创脑-机接口电极、脑神经信号解码和生物电化学传感与检测。近五年，主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、湖南省重点研发计划项目、湖南省自然科学基金优秀青年项目等国家及省部级科研项目10余项。以第一作者或通讯作者在SmartMat、Journal of Hazardous Materials、Food Chemistry、Sensors and Actuators B: Chemical、IEEE Transactions on Affective Computing等国际知名期刊发表SCI论文100余篇，其中ESI热点论文8篇，ESI高被引论文26篇。总被引9000余次，H指数61，4篇论文获IOP出版社高被引论文奖。获湖南省自然科学奖三等奖和湖南省高等教育教学成果奖二等奖，获评2024年湖南省生物医学工程学会青年人才奖。担任中国生物医学工程学会医学神经工程分会委员、湖南省生物医学工程学会常务理事、湖南省生物医学工程学会脑科学与神经工程专委会副主委等重要学术职务，兼任Military Medical Research、Brain-X等多篇期刊青年编委以及Advanced Functional Materials、Journal of Materials Chemistry A、Food Chemistry等60余个国际SCI期刊审稿专家。
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公众号丨智能传感与脑机接口
