利用成本效益高的合成受体，在复杂的生物基质中选择性识别甲酚异构体

《Sustainable Materials and Technologies》：Selective recognition of cresol isomers in complex biological matrices using cost-efficient synthetic receptors

分子印迹聚合物（MIPs）用于设计高选择性、低检测限（201-338 nM）的电化学传感器，实现o-、m-、p-三甲基苯酚异构体的特异性识别，并在人类血清中验证了其适用性和稳定性。

　　

Ishaq Ali Shah|Muhammad Sohail|Arooj Fatima|Taimur Ali|Ahsan Sharif|Naseer Iqbal|Adeel Afzal

旁遮普大学化学学院传感器与诊断实验室，Quaid-i-Azam校区，拉合尔，54590，巴基斯坦

摘要

开发可持续的、高选择性的合成受体对于推进生物分析技术至关重要，同时减少对脆弱且昂贵的生物元素（如抗体和酶）的依赖。本文报道了分子印迹聚合物（MIPs）的设计与开发，作为天然抗体和酶的合成替代品，用于特异性识别o-甲酚、m-甲酚和p-甲酚——这些C?H?O的结构异构体在生物医学和环境领域具有重要意义。工程化的MIP界面表现出显著降低的电荷转移电阻，分别为400Ω、1113Ω和127Ω（对应o-MIP、m-MIP和p-MIP），而非印迹聚合物（NIP）的电阻为1765Ω。MIP修饰电极的电活性表面积（0.021–0.055 cm2）明显高于NIP和裸电极，从而提高了电子转移动力学，达到0.015 cm?1。这些传感器实现了低检测限，分别为201 nM、202 nM和338 nM，并具有相应的灵敏度：0.08 μA cm?2 μM?1、0.14 μA cm?2 μM?1和0.23 μA cm?2 μM?1（针对o-、m-和p-甲酚）。值得注意的是，这些基于智能聚合物的传感器在人血清样本中的实际应用证明了它们的稳健性和适用性，证实了它们在生物分析中的潜力。

引言

甲酚类化合物（包括o--甲酚、m--甲酚和p--甲酚）被世界卫生组织（WHO）和其他国际卫生机构认定为重要的环境污染物[1]。这些化合物通过甲苯[2]和薄荷呋喃[3]的酶促氧化在人类和动物体内自然产生。工业上，甲酚是合成多种重要产品（如表面活性剂、合成材料、染料中间体、聚合物、消毒剂等）的必需原料。因此，这些行业排放的废水中通常含有高浓度的甲酚[4]。

许多研究表明，接触甲酚会导致多种不良影响，包括黏膜严重炎症、肝脏损伤甚至死亡[5]、[6]。甲酚在浓度为12 mg L?1（110 μM）时就会产生慢性效应[7]。o--甲酚可引起呼吸系统、神经系统及其他人体器官的严重健康问题[8]。此外，o--甲酚对动物具有强烈的致癌、致畸和致突变作用[9]。虽然m--甲酚通常被认为是三种甲酚异构体中毒性最低的，但它已被美国环境保护署（EPA）和美国卫生与公共服务部（U.S. Department of Health and Human Services）列为潜在的人类致癌物[10]。由于p--甲酚会形成反应性中间体，它通常被认为是最危险的[11]。作为主要的蛋白质结合尿毒症毒素，p--甲酚会在慢性肾病（CKD）患者的血清中积累，导致持续的炎症状态[12]。此外，p--甲酚还与整体健康状况、心血管疾病和CKD的进展有关[13]。

鉴于这些异构体在芳香环上的取代模式不同以及它们的毒理学特性各异，准确检测和区分o--甲酚、m--甲酚和p--甲酚对于评估其健康影响至关重要。开发一种精确且选择性的分析方法来识别特定的甲酚异构体对分析化学家来说是一个重大挑战。传统的甲酚检测方法包括质谱[14]、气相色谱[15]、高效液相色谱[16]和红外光谱[17]，这些方法可以提供准确的分析结果。然而，这些方法通常涉及复杂的样品制备和分析程序，耗时且成本较高，不适合实时监测甲酚。在各种传感策略中，电化学传感器特别具有吸引力，因为它们可以微型化、易于制造且成本效益高，并且能够快速响应甲酚[18]、[19]。

分子印迹技术是一种在聚合物基质中合成目标选择性识别位点的概念，类似于抗体和酶中的识别位点，对特定分子或模板具有亲和力，是电化学传感器中传统识别元素（如酶）的有前景且可行的替代方案[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。分子印迹聚合物（MIPs）的反应混合物通常包括模板、功能单体、交联单体、聚合引发剂和致孔溶剂[25]。MIP制备的关键步骤是模板与功能单体之间形成稳定的复合物，随后被过量的交联单体包围。聚合完成后，会形成包含捕获模板分子的三维聚合物网络。通过彻底洗涤去除模板分子，留下与模板在大小、形状和分子相互作用方面互补的空腔[26]。尽管已有研究人员使用MIPs检测单个甲酚异构体，但仍存在某些局限性。例如，Gorai等人[27]使用MIP-NPs与光学传感器结合来敏感检测p--甲酚，但光学传感方法通常需要专用设备，这限制了其便携性和现场应用。Han等人[28]使用基于GO/ZIF-67/AgNPs的分子印迹电化学传感器检测水中的p--甲酚，而非人血清，从而限制了其在生物样本中的实时监测应用。最近，Archana等人[29]报道了一种基于分子印迹聚合物的电化学传感器，结合了还原氧化石墨烯纳米片，用于敏感检测对甲酚硫酸盐，进一步展示了MIP架构在甲酚相关分析中的应用进展。

现有基于MIP的传感器的一个显著挑战是它们无法进行比较分析并选择性地区分三种甲酚异构体o--甲酚、m--甲酚和p--甲酚。为了解决这个问题，我们开发了一种能够以经济高效、灵敏和选择性的方式准确区分、检测和量化o--甲酚、m--甲酚和p--甲酚的传感平台。具体来说，设计了分子印迹聚合物（o-MIP、m-MIP和p-MIP），以创建针对特定甲酚异构体的识别位点。该传感器通过将石墨铅笔电极（GPEs）浸涂在合成的MIPs中来制备。因此，本研究采用了结构-性质-功能框架，结合光谱学、表面分析和电化学表征，阐明了印迹诱导的化学环境和表面形态如何影响电化学性能和异构体特异性识别。此外，为了展示其实际应用性，这些基于MIP的传感器被用于实时检测人血清样本中的o--甲酚、m--甲酚和p--甲酚，证明了它们在复杂生物环境中的稳健性和潜在用途。

分子印迹聚合物（MIPs）的合成

o--甲酚印迹聚合物（o-MIP）是通过自由基聚合技术合成的。首先，向5 mL异丙醇中加入421 μL甲基丙烯酸（MAA，99.5%，Sigma Aldrich）和230 mg 2,4,6-三烯氧基-1,3,5-三嗪（2TA，97%，Sigma Aldrich），制备反应溶液。然后用超声处理30分钟使其均匀。随后加入50 μL o--甲酚（98%，Sigma Aldrich）作为模板，并再次超声处理10分钟以完成反应。

结构表征

使用傅里叶变换红外（FTIR）光谱分析了非印迹聚合物（NIP）和印迹聚合物（o-MIP、m-MIP和p-MIP）的化学结构，结果光谱见图2a。这项分析的主要目的是确认聚合物的成功形成，并识别印迹诱导的局部化学环境变化，而不是解决分子级别的结构差异。

结论

在本研究中，我们成功设计了o-MIP、m-MIP和p-MIP传感器，用于分别选择性地检测o--甲酚、m--甲酚和p--甲酚。这些基于MIP的传感器在电化学识别甲酚异构体方面表现出优异的性能，利用了印迹空腔的独特结构和功能特性。电化学表征证实，MIP修饰后的GPEs具有更低的R_ct和更大的电活性表面积。

CRediT作者贡献声明

Ishaq Ali Shah：方法论、研究、数据分析。Muhammad Sohail：方法论、研究、数据分析。Arooj Fatima：研究、数据分析。Taimur Ali：初稿撰写、可视化、验证、数据分析。Ahsan Sharif：撰写、审稿与编辑、资源提供。Naseer Iqbal：撰写、审稿与编辑、验证、数据分析。Adeel Afzal：撰写、审稿与编辑、监督、资源提供、项目管理。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用ChatGPT来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

A.A. 感谢Hafr Al Batin大学和沙特阿拉伯教育部提供的部分研究设施和支持。