Biosens Bioelectron：含氮中空介孔碳球分子印迹电化学传感器实现对氯丙嗪的选择性识别和超灵敏传感

电化学传感器因其简单的操作、快速的响应时间、最小的能量需求、更高的灵敏度和现场分析能力而越来越受到人们的青睐。传感器的构建过程中，识别组件（包括适配子、抗体、酶和分子印迹聚合物等）的选择决定了其性能的准确性、稳定性和可靠性。分子印迹聚合物(MIP)是一种选择性识别目标分析物的人工抗体。与酶等其他识别材料相比，MIP具有结构可预测性好、化学和机械稳定性好、重复性好、成本低等优点。然而，如何有效地将分析物与MIP之间的相互作用转化为准确可靠的电化学信号仍然是基于MIP的电化学传感器(MIP/ECS)开发的一个挑战。研究发现，MIP的导电性差，电催化活性和传质效率低，目标分析物结合能力弱，限制了MIP/ECS的检测性能。因此，选择具有良好导电性的衬底材料和具有较强结合能力的功能性单分子膜材料是构建MIP/ECS的关键。

     中空介孔碳球具有较高的比表面积和良好的介孔结构，可以为分子印迹聚合物的构建提供大量的活性中心。介孔结构有利于目标分子和电解质离子在电极上的快速传输，并能有效避免蛋白质等大分子物质的干扰。特殊的中空结构减少了体积膨胀和对复合材料的应力破坏，确保了传感器的持久稳定性和可靠性。环糊精(CD)，特别是β-CD，由于其低成本、高生物相容性、充足的来源和无毒而具有吸引力。β-CD具有良好的主客体络合和对映体选择性，这得益于其截锥形和两亲性结构，内腔疏水，外部亲水，携带丰富的羟基。与导电物质集成后，这些基于β-CD衍生物的电化学手性传感器的灵敏度可以大大提高。此外，在MIP/ECS的开发中，选择具有高导电性和结合能力的功能单体也同样重要。

     本研究创新性地使用了含有氨基和酚羟基的多巴胺(DA)与EDOT一起作为双功能单体。DA可以为选择性分子结合提供丰富的官能团和识别位点，促进有效的吸附和扩散。在与EDOT共聚后，所得到的三维网络结构具有显著的机械稳定性、灵活性和良好的电化学响应以及分子识别能力。值得注意的是，它们的协同作用建立了稳定的电子供体-受体对，显著提高了MIP/ECS的检测灵敏度。此外，共聚有效地加强了MIP与电极基质之间的界面结合，同时提高了传感器的亲水性、防污性能、稳定性和在复杂基质中的适用性。

     本研究以新合成的含氮中空介孔碳球（N-HCS）为载体材料，以DA和EDOT为双功能单体，通过表面分子印迹技术制备了N-HCS@MIP。N-HCS@MIP被涂覆在玻碳电极(GCE)形成N-HCS@MIP电化学传感器(N-HCS@MIP/ECS)，用于氯丙嗪（CPZ）的高灵敏度识别。表面分子印迹技术可以显著改善印迹腔嵌入和模板分子不完全洗脱的问题。N-HCS具有较大的比表面积和较宽的介孔范围，为N-HCS@MIP的构建提供了稳定的载体和丰富的中心。介孔和中空结构为CPZ、电解质离子和电子的快速传输提供了良好的通道。由EDOT和DA组成的双功能单体显著提高了传感器对CPZ的选择性结合能力、电化学催化活性和抗干扰性。该传感器具有良好的检出限(0.18 nM)、检测范围(0.0005-85μM)、选择性、稳定性和实际应用能力。这项工作为构建高性能的MIP/ECS提供了一种新的方案。

• 高特异性电化学传感器：以N-HCS为载体材料，以DA和EDOT为双功能单体，通过表面分子印迹技术制备了N-HCS@MIP，进而构建了具有良好选择性和电催化活性的MIP/ECS，实现氯丙嗪高选择性检测。

• 实际应用性能优异：该传感器具有较低的检出限(0.18 nM)、较宽的检测范围(0.0005~85 μM)、较好的稳定性和较好的实用性。

   

Fig. 1. 氮掺杂中空介孔碳球(N-HCS)和分子印迹聚合物(NHCS@MIP)的制备及形貌表征。(A)N-HCS和N-HCS@MIP的制备示意图。(B)N-HCS、(C)N-HCS@MIP和(D)N-HCS@NIP的SEM图像。(E)N-HCS@MIP的TEM图像。(F-J)HAADF-STEM和N-HCS@MIP的EDS谱图。

Fig. 2. N-HCS和N-HCS@MIP的结构分析。(A)N-HCS@MIP的氮等温吸附-脱附曲线。(B)N-HCS和NHCS@MIP的拉曼光谱。(C)N-HCS@MIP、N-HCS、PDA和PEDOT的FTIR。(D)N-HCS和N-HCS@MIP的XPS全谱图。(E)N-HCS和(F)N-HCS@MIP的N1s高分辨XPS谱，(G)N-HCS和(H)N-HCS@MIP的C1S，和(I)N-HCS@MIP的S 2p。

Fig. 3. N-HCS@MIP基电化学传感器(N-HCS@MIP/ECS)的设计和电化学行为分析。(A)N-HCS@MIP/ECS制备和传感应用示意图。(2)不同材料修饰的GCE的循环伏安响应曲线。a：裸GCE；b：N-HCS/GCE；c：N-HCS@NIP/GCE；d：N-HCS@MIP/GCE；e：N-HCs@NiP/GCE在10μM CPZ中吸附后; f：N-HCs@MIP/GCE在10μM CPZ中吸附后。(C)不同工作电极在开路电压下的交流阻抗曲线，插图为等效电路图。(D)不同电极在1μM CPZ(0.1M PBS)中吸附后的DPV曲线。(E)不同扫描速率(v)下NHCS@MIP/GCE的CV曲线。(F)N-HCS@MIP/GCE的峰电流(I_p)与v、(G)I_p与V1/2、(H)I_p与logv、(I)E_p与Inv(n=3)的线性关系图。(J)CPZ的电化学氧化机理示意图。

Fig. 4. N-HCS@MIP/ECS对CPZ的线性响应及性能分析；(A)N-HCS@MIP/ECS-CPZ的DPV曲线。插图显示了CPZ 0-0.5μM的DPV曲线。(B)CPZ的校准曲线。(C)CPZ及其结构类似物在N-HCS@MIP/ECS和N-HCS@NIP/ECS上的峰电流。(D)在无机潜在干扰物中N-HCS@MIP/ECS的峰电流。(E)N-HCS@MIP/ECS的可再生性和(F)可重复性。(n=3)。

Fig.5. 传感器选择性检测CPZ的机理进行了分析。(A)CPZ吸附后N-HCS@MIP的氮等温吸附-脱附曲线。(B)CPZ吸附后N-HCS@MIP和N-HCS@MIP的拉曼光谱。(C)CPZ、N-HCS@MIP和N-HCS@MIP吸附后的FTIR光谱。(D)CPZ吸附后N-HCS@MIP和N-HCS@MIP的XPS全谱图。N-HCS@MIP吸附CPZ后的高分辨XPS谱：(E)C 1S，(F)N 1S，(G)S 2p。(H)N-HCS@MIP选择性结合CPZ的机理。

本工作采用简单高效的模板法制备了具有良好比表面积和导电性的中空介孔碳球（N-HCS）。N-HCS的介孔结构和丰富的活性中心为构建含PEDOT的PDA基N-HCS@MIP提供了稳定的底物。此外，由PDA和PEDOT组成的给体-受体电子体系不仅为电子的快速转移提供了稳定的通道，而且为CPZ的高选择性富集提供了丰富的结合位点。N-HCS@MIP/ECS具有优异的性能、令人满意的选择性、更宽的响应范围、更低的LOD和更好的稳定性。更重要的是，该传感器能够从实际样品中选择性地浓缩和可靠地检测CPZ，这对于有效监测污染物具有重要意义。本研究为研制先进的传感器提供了新的设计思路和策略。此外，将这种材料与微型电极和电化学工作站相结合，可以开发出用于有效检测污染物的便携式传感器。

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