Anal Chim Acta：仿贻贝分子策略用于多种手性分子的超灵敏检测

手性是一种普遍存在的现象，广泛存在于自然界中，其系统跨度从电子自旋到氨基酸、DNA、蜗牛壳乃至星系。尽管手性分子的对映体具有几乎相同的理化性质，但它们通常表现出显著不同的药理学、生物学和毒理学活性。沙利度胺致畸事件首次揭示了不恰当的对映体鉴别所带来的严重后果。因此，高效、准确的对映体鉴别对于疾病诊断和药物开发至关重要。基于固有的手性光学特性，圆二色性、旋光度和核磁共振（NMR）光谱等技术已被开发用于对映体鉴别。然而，这些精密技术的一个主要局限是对痕量分析物的灵敏度不足，这限制了它们的大规模实际应用。电化学传感因其高灵敏度、快速响应和低成本而成为极具前景的替代方案。然而，在多溶剂环境中实现可靠的对映选择性识别以及高效的信号转导仍然是一个重大挑战。

分子印迹聚合物（MIPs），也被称为人工抗体或塑料抗体，因其对靶分子具有特异性结合亲和力、结构可控以及优异的稳定性而被广泛应用于传感领域。通过预先的顺序分子印迹过程，手性MIPs在其表面产生立体特异性空穴，通过模拟抗体-抗原相互作用来选择性识别靶标对映体。原则上，手性MIPs优先识别与模板分子具有相同绝对构型的对映体。迄今为止，各种手性MIPs，如环糊精、海藻酸钠和丙烯酰胺体系，已被用于对映体分离。然而，传统的MIPs仍然存在关键局限，包括导电性差、制备过程复杂、信号转导效率不足以及识别位点可及性有限，这些因素共同阻碍了它们的实际应用。相比之下，受贻贝启发的多巴胺表现出独特的优势，包括多功能粘附性、丰富的官能团、温和的聚合条件以及良好的半导体性质。结合生物质衍生的多孔碳及其分级孔结构，可确保传感器在各种溶剂中保持稳定性和导电性。这种稳健的材料设计可防止结构降解，并确保一致的电子转移，即使存在水和乙醇等不同溶剂时也是如此，从而增强了其在复杂生物基质中实际检测的适用性。生物质衍生的多孔碳因其结构可控、扩散路径短和化学稳定性高，是制备手性MIPs的理想材料。在此，我们利用这些优势制备了一种结合多孔碳和聚多巴胺的手性分子印迹聚合物（CPIP），以提高电子转移效率和识别位点的可及性，从而解决传统MIP基传感器的关键瓶颈。

本文通过将分子印迹与贻贝启发的多巴胺化学相结合，并以生物质衍生的多孔碳作为导电支架，开发了一种手性电化学识别材料，从而同时实现了高对映选择性和增强的电化学响应。得益于多巴胺强大的界面粘附性，印迹层无需额外粘合剂即可稳定固定在电极表面，并产生了与靶标对映体互补的立体特异性空穴。同时，多孔碳框架具有高比表面积和丰富的微孔结构，可促进快速的电子和传质过程，从而显著增强信号输出。所制备的传感器在水相和乙醇介质中均表现出可靠的对映选择性识别能力。具体而言，对于L-色氨酸（L-Trp），该平台表现出0.1–10000 μg L^-1的线性范围，检测限（LOD）为25.32 μg L^-1。对于其他氨基酸，如D-抗坏血酸、L-抗坏血酸、R-柠檬烯和S-柠檬烯，该平台表现出0.1–1000 μg L^-1的线性范围（R² > 0.982），其检测限分别为73.36 μg L^-1、40.31 μg L^-1、71.97 μg L^-1和99.13 μg L^-1。此外，当应用于大豆粉和奶粉等真实食品样品时，该平台获得了83.8%至112.0%的满意回收率。这些结果凸显了该平台在检测模型化合物和真实食品样品中手性分子的广泛适用性。

• 贻贝启发的仿生协同策略，突破传统分子印迹传感的瓶颈：创新性地将聚多巴胺（PDA）的强界面粘附性与生物质衍生多孔碳（比表面积552.63 m² g^-1，平均孔径4.95 nm）相结合，构建了双导电网络。聚多巴胺通过π-π堆积和氢键牢固锚定于多孔碳表面，无需额外粘合剂即可形成稳定的手性印迹层；多孔碳框架则提供了连续的电子传输通道，使修饰电极的电荷转移电阻显著降低，电化学活性面积提升。

• 多重非共价相互作用驱动的超高对映选择性识别机制：通过L-色氨酸（L-Trp）模板诱导聚合，在聚多巴胺网络中产生了与靶标分子尺寸、形状及官能团分布完全互补的立体特异性空穴。圆二色性（CD）光谱证实，该空穴仅对匹配对映体产生强烈响应，而非特异性吸附可忽略不计。分子层面的XPS与理论计算表明，识别过程由氢键、静电吸引及π-π堆积协同驱动，实现了对L-Trp的特异性捕获。

• 通用型分子印迹平台，适用于复杂实际样品分析：该手性分子印迹聚合物（CPIP）平台具有高对映选择性、优异的抗干扰能力和良好的再生性，成功应用于大豆粉和奶粉等真实食品样品中脯氨酸对映体的痕量检测（回收率 83.8%–112.0%）。

  
  

图1. 模板压印技术和CPIP的制备示意图。(A)CPIP的分子结构。CPIP的合成(B)方法和(C)机理(D)传感器制造和检测工艺。(E)CPIP的识别和检测机制。

图2. (A) 多孔碳表面被聚多巴胺印迹层覆盖前后的示意图。(B, C) 原始多孔碳纳米颗粒的扫描电子显微镜和透射电子显微镜图像。(D, E) 聚多巴胺涂层后CPIP颗粒的扫描电子显微镜和透射电子显微镜图像。(F) CPIP的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。(G–I) 相应的C、N和O元素分布图。(J, K) 多孔碳和CPIP的N₂吸附-脱附等温线及孔结构参数。(L) 多孔碳和CPIP的拉曼光谱

图3. (A) L-CPIP在L-Trp和D-Trp溶液中的识别示意图。(B–D) L-CPIP、CPNP和D-CPIP的圆二色性（CD）光谱。(E–G) 识别L-Trp后，L-CPIP、CPNP和D-CPIP的CD光谱。(H–J) 识别D-Trp后，L-CPIP、CPNP和D-CPIP的CD光谱。

图4. (A–C) CPIP吸附L-Trp前后的XPS高分辨谱图：C 1s (A)、N 1s (B) 和 O 1s (C) 谱图，(D) 吸附L-Trp前后CPIP/GCE的电化学阻抗谱，(E) 吸附L-Trp前后的差分脉冲伏安法响应，(G) DHI（5,6-二羟基吲哚）和L-Trp分子的静电势（ESP）图，(H) 基于CPIP/GCE的L-Trp选择性电化学识别机制示意图

图5. (A) 不同修饰电极在5 mM [Fe(CN)6]3-/4- 、0.1 M KCl中的循环伏安图，(B) 电化学阻抗谱的奈奎斯特图，(C) 对应的差分脉冲伏安法曲线，(D) CPIP/GCE对不同浓度L-Trp的DPV响应，以及Ip与L-Trp浓度的线性关系。(E) 在恒定总浓度（100 μg L-1）不同对映体比例的外消旋混合物中，CPIP/GCE对L-Trp的电流响应。(F) CPIP传感器在存在各种共存物质下的抗干扰能力评估。

图6. (A–D) CPIP/GCE对D-抗坏血酸、L-抗坏血酸、R-柠檬烯和S-柠檬烯的DPV响应随浓度变化的曲线，以及相应的线性关系。(E–H) 在总浓度恒定为100 μg L^-1的不同对映体比例的外消旋混合物中，L-CPIP/GCE和D-CPIP/GCE对各自靶标对映体的电化学响应。

图7. (A) 用于大豆粉和奶粉样品中脯氨酸对映体检测的样品预处理及传感流程示意图。(B–E) L-脯氨酸和D-脯氨酸在水溶液中的DPV响应及校准曲线（0.1–1000 μg L^-1），(F, G) 加标大豆粉和奶粉样品中L-脯氨酸和D-脯氨酸的校准曲线。

本研究通过开发一种能够识别对映异构体的通用手性传感器构建方法，解决了传统分子印迹灵敏度低和检测环境受限的长期挑战。基于贻贝附着的原理，生物质多孔碳和聚多巴胺双导电物质的创新结合实现了CPIP的仿生聚合，并显著提高了检测过程中的响应电流。该CPIP传感器在不同液体环境中表现出高电流响应，并能对多种手性分子进行快速、准确的检测。由于良好的灵敏度和抗干扰能力，所设计的CPIP传感器可用于经过简单预处理后的样品中脯氨酸的痕量检测。基于CPIP电化学传感器的绝对特异性、通用性、快速性和高灵敏度，我们可以预见CPIP在各种应用中的巨大前景，特别是在食品和环境等复杂环境中的特异性识别、手性催化和手性合成。需要指出的是，在所提出的手性识别机制中，检测环境仍以水溶液为主，但该方法为在乙醇环境中的检测提供了可能。因此，乙醇中的检测机制及相关条件的调控仍需进一步研究，此外，提高传感系统抵抗大分子干扰的能力也是未来研究的一个关键重点。

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