利用氧化石墨烯增敏的磁性分子印迹电化学传感器测定微量槲皮素

分子印迹聚合物基电化学传感器通过整合Fe3O4纳米颗粒、石墨烯氧化物和印迹层，实现了超灵敏（0.50 nM）高选择性检测槲皮素，在复杂基质中表现出优异稳定性和重现性，成功应用于松茸、洋葱和苹果等真实样品检测。

　　

刘艳红|秦旭阳|马杰|沈倩人|王倩环|陈思旭|杨春林|李伟|罗莎|马春晖|刘守新

中国东北林业大学木质油资源利用国家重点实验室，哈尔滨 150040

摘要

基于分子印迹聚合物的电化学传感器（MIP/ECS）已成为检测痕量污染物的有前景的平台，特别是在食品安全和环境监测领域。然而，其实际应用常常受到印迹材料收集效率低下和电子转移动力学缓慢的限制，这最终影响了选择性和灵敏度。在这项研究中，我们报道了一种创新的MIP/ECS设计，该设计结合了Fe₃O₄、氧化石墨烯（GO）和分子印迹聚合物层，用于超灵敏和高选择性地检测槲皮素（QR）。系统研究表明，加入Fe₃O₄可以在磁力引导下实现快速分析物吸附，而GO显著提高了电子转移效率。基于聚丙烯酰胺的印迹层通过氢键和π–π堆叠相互作用提供了对QR的卓越识别特异性。因此，所制备的传感器表现出超低的检测限（LOD）为0.50?nM，并具有宽的动态线性范围（0.01至1000?μM），包含两个线性区域（0.01–25?μM和25–1000?μM），相关系数（R₁²?=?0.9973和R₂²?=?0.9997），同时具有出色的稳定性和可靠的真实样品分析性能。此外，该传感器成功应用于检测Sophora japonica L.花蕾、洋葱和苹果中的QR，获得了令人满意的回收率。这项工作为开发高性能MIP/ECS系统以精确检测环境和食品相关样品中的QR提供了可行且有效的方法。

引言

槲皮素（QR）是一种天然存在的黄酮类化合物，广泛分布于植物和食品中，作为多酚化合物具有多种生物活性[1]。由于其强大的抗氧化和抗凋亡活性，QR在预防和管理神经系统疾病、迟发性运动障碍、某些免疫疾病和器官损伤方面具有治疗潜力，并且还表现出抗癌、免疫调节和心血管保护作用[2]、[3]、[4]。尽管美国食品药品监督管理局（FDA）普遍认为QR是安全的，但长期或过量摄入与恶心、刺痛感、肾脏损伤和头痛等不良反应有关[5]。鉴于其在人类健康中的双重作用，准确量化膳食产品、草药补充剂和药物制剂中的QR至关重要。因此，开发简单、可靠和灵敏的QR测定分析技术是非常必要的。

已经报道了几种用于QR定量的分析技术，包括高效液相色谱（HPLC）[6]、分光光度法[7]、荧光光谱[8]和电化学传感器[9]、[10]、[11]。与其他分析方法相比，电化学传感器因其低成本、快速响应和操作简便而脱颖而出，特别适用于常规分析。然而，传统电化学传感器的灵敏度和准确性仍然不足以进行痕量分析，主要是由于电极表面缺乏特定的分子识别位点[12]、[13]。为了解决这一限制，通过模仿天然识别机制（如抗原-抗体相互作用）开发了分子印迹技术（MIT）。分子印迹聚合物（MIPs）具有高强度、优异的稳定性和长保质期[15]。因此，将MIPs与电化学传感器结合使用，可以开发出分子印迹电化学传感器（MIECS），显著提高选择性和稳定性，并为检测QR等天然产物提供强大的平台[16]。然而，MIECS的应用受到大多数MIPs固有导电性差以及稳定性不足和重复性不理想的限制[17]、[18]、[19]。Fe₃O₄纳米颗粒实现了快速磁分离和可控的印迹材料固定，同时引入了乙烯基功能化二氧化硅（VSiO₂）以提高结构稳定性，而不影响印迹位点的可访问性。此外，氧化石墨烯（GO）形成了一个高效的导电网络，显著加速了电子转移[20]、[21]、[22]、[23]。这种磁-导电协同作用同时增强了质量传输、电荷转移动力学和传感器可再生性，代表了向高性能分子印迹电化学传感的关键创新。

在这项工作中，开发了一种基于磁性分子印迹聚合物（MIPs）与磁性玻璃碳电极（MGCE）结合的便携式现场电化学传感器平台，用于QR检测。首先，合成了Fe₃O₄@VSiO?@GO，作为MIPs的磁载体和导电支撑。随后，将MIPs层精确地接枝到这种磁性支撑上，得到Fe₃O₄@VSiO₂@GO@MIPs（MMIPs），具有特定的QR识别腔。最后，通过MMIPs与MGCE之间的简单磁吸引完成传感器组装，实现了对QR的灵敏和快速检测。所制备的传感器表现出优异的稳定性、快速响应和对QR的高特异性。此外，其在Sophora japonica L.花蕾提取物中的成功应用证实了该传感器在复杂基质中可靠测定QR的实用价值，突显了这种磁性传感策略在天然产物现场分析中的潜力。

实验部分

关于试剂、仪器、电化学测量和真实样品制备的详细信息见补充材料。

材料制备与表征

如图1A所示，MMIPs复合材料采用了一种简单有效的策略制备。在这种结构中，Fe₃O₄核心赋予了强大的磁响应性，SiO?壳层作为保护层防止磁聚集，GO涂层增强了导电性。随后，通过丙烯酰胺（功能单体）和乙二醇二甲基丙烯酸酯（交联剂）的聚合，在复合材料表面接枝了MIPs层

结论

总之，开发了一种基于MMIPs的便携式原位电化学传感器，用于快速准确地检测QR。该传感器通过策略性地结合GO和Fe₃O₄，实现了选择性的分子识别、快速的磁分离和增强的电化学响应性，同时提高了导电性和灵敏度。识别机制由印迹中的羰基之间的协同氢键和π–π相互作用控制

CRediT作者贡献声明

刘艳红：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法学、研究、数据管理、概念化。秦旭阳：撰写——原始草稿、方法学、概念化。马杰：撰写——审阅与编辑。沈倩人：资源提供。王倩环：撰写——原始草稿。陈思旭：撰写——审阅与编辑。杨春林：概念化。李伟：撰写——原始草稿。罗莎：资源提供。马春晖：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理

未引用参考文献

[30], [31]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（32371808）和东北林业大学本科生创新培训项目（202310225503）的财政支持。