《Biosensors and Bioelectronics》：Oxidization-driven polyamine probe boosts biosensor selectivity
via a proton sponge effect regulation strategy
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选择性左旋多巴识别；氧化高支化聚乙烯亚胺；质子海绵效应；荧光探针；DOPA脱羧酶活性检测
Jingxin Yu|Jiaojiao Zheng|Xinyu Fan|Shuo Wang|Fengniu Lu|Ding Cao|Yi Du|Zhiqin Yuan|Rui Tian|Chao Lu
北京化工大学化学学院化学资源工程国家重点实验室，北京，100029，中国
摘要
左旋多巴（DOPA）的多重功能特性，包括在神经元通信和脑疾病治疗中的作用，使其选择性识别对于深入理解其生物功能具有重要意义。然而，其类似物的干扰难以消除。在这项研究中，我们开发了一种基于氧化超支链聚乙烯亚胺（hPEIox）的活性探针，该探针具有质子海绵效应调节功能，可实现DOPA的选择性识别。研究表明，氧化增强了生物传感器的选择性，这是因为氧化减弱了质子海绵效应，抑制了质子的吸附并增加了聚胺主链的电子密度，从而促进了DOPA的接近并促进了随后的自聚合反应，生成荧光物质。使用所提出的hPEIox探针，DOPA的选择性识别限为1.3 nM。此外，该探针还能用于尿液、脑脊液和Mucuna pruriens样品中的DOPA检测。此外，还可以利用hPEIox探针监测DOPA的生成和消耗过程的动力学。此外，hPEIox探针还能够评估DOPA脱羧酶的活性。
引言
包括多巴胺（DA）、左旋多巴（DOPA）和肾上腺素在内的儿茶酚胺类神经递质对调节情绪和成瘾行为至关重要，因此快速且灵敏的儿茶酚胺筛查非常重要（Alves等人，2025；Carla等人，2024；Dmitrieva等人，2025；Singh等人，2024；Wang等人，2025）。迄今为止，大多数研究都集中在DA的检测上，因为DA在大脑功能和帕金森病治疗中起着关键作用（Brodie等人，2024；Kozibroda等人，2025；Patriarchi等人，2020；Sun等人，2020；Zhuo等人，2024）。实际上，DOPA被用作药物，通过到达大脑释放DA来治疗疾病，其选择性检测在神经科学、药物代谢以及临床或植物分析中具有重要的生物学意义（de Bie等人，2020；Stocchi等人，2024）。然而，由于分子结构和化学反应性的高度相似性，DOPA与其他儿茶酚胺类似物的选择性识别仍然具有挑战性（Ko等人，2020；Mahato等人，2024；Moon等人，2021）。目前的检测策略主要依赖于电化学方法、分子印迹聚合物和基于抗体的检测方法，这些方法提供了可接受的高灵敏度（Xiang等人，2022；Zhou等人，2025b），但在没有特定配体的情况下实现DOPA的选择性识别仍存在挑战。研究发现，引入非特异性相互作用（即静电吸引）可以扩大反应性差异，提高类似物的区分度（Chaturvedi等人，2021；Jin等人，2019）。例如，据报道，在pH 10条件下，带有负电荷的3,5-二羟基苯甲酸对带正电荷的DA的结合亲和力更强（Liu等人，2023）。因此，通过控制分析物和探针之间的静电吸引可以提高检测选择性。
据报道，小分子的等电点可以通过前两个pKa值的平均值来表示，因为它们对此有较大的贡献（Kozlowski，2016；Millán-Pacheco等人，2022）。与其他儿茶酚胺不同，DOPA含有一个自由的羧基，其等电点低于7.0（Azhar等人，2024；Ball，2018）。相比之下，其他儿茶酚胺的等电点高于9.0。鉴于不同的等电点，推测在适当的pH条件下，使用带正电荷的探针可以区分DOPA与其他儿茶酚胺。据报道，在超支链聚乙烯亚胺（hPEI）存在下，多巴胺倾向于通过自聚合反应形成荧光多巴胺纳米颗粒（FNPs）（Sun等人，2019；Zhang等人，2022）。作为一种典型的聚胺，hPEI具有丰富的胺基团，可以在水溶液中通过质子化吸附H+。这种可逆的质子结合和储存能力被称为质子海绵效应。质子海绵效应已被广泛用于提高功能化材料的吸附、提取和催化活性，从而增强界面反应性（Cao等人，2012；Zhou等人，2025a）。质子海绵效应可以调节hPEI的电荷状态和反应性（Duan和Nie，2007；He等人，2024），因此理论上可以通过改变质子海绵效应来实现hPEI相关探针对DOPA的选择性识别。
在这项研究中，我们首次尝试利用基于hPEI底物的选择性DOPA探针。我们发现DOPA可以显著增强氧化hPEI（hPEIox）的荧光强度，而其他儿茶酚胺则不会引起类似的荧光增强。hPEIox支持的DOPA识别归因于氧化处理减弱了质子海绵效应，同时减少了质子吸附。质子吸附的减少降低了hPEIox溶液的pH值，增加了hPEIox与其他儿茶酚胺之间的静电排斥力。这也增加了hPEIox主链的电子密度，从而增强了局部碱性。这些特性有利于DOPA的接近并促进了随后的自聚合反应（图1）。我们研究了其对DOPA检测的特异性和耐受性。基于hPEIox探针，计算出DOPA检测的限值（LOD）为1.3 nM。此外，还通过尿液、脑脊液和Mucuna pruriens样品中的DOPA分析验证了所提出的hPEIox探针的实际应用。此外，还基于hPEIox探针监测了DOPA从左旋多巴甲基水解生成的动态以及DOPA在DOPA脱羧酶（DDC）催化下的消耗过程。此外，还使用hPEIox探针检测了DDC的活性。
节选内容
DOPA诱导的hPEIox选择性荧光响应
首先研究了DOPA诱导的hPEIox的荧光变化。如图S1所示，DOPA-hPEIox混合物的UV-vis吸收光谱在310-350 nm范围内显示出宽吸收带，表明形成了新的物质。如图2a所示，最大激发波长和发射波长分别为340 nm和445 nm。根据3D荧光光谱（图2b），只观察到一个发射中心（λex 340 nm，λem 445 nm），表明形成了
结论
总之，我们首次证明了静电相互作用介导的邻近效应可以调节DOPA及其类似物的自聚合反应，并提出了一种基于hPEIox的高选择性荧光DOPA检测探针。不同的等电点通过pH控制的静电吸引实现了DOPA与其他类似物的区分。通过尿液和脑脊液中准确的DOPA分析进一步验证了hPEIox探针的实际应用
CRediT作者贡献声明
Jingxin Yu：数据管理、研究、方法学、软件、初稿撰写。Jiaojiao Zheng：数据管理、正式分析、方法学、软件、验证。Xinyu Fan：正式分析、方法学、资源、软件。Shuo Wang：资源、软件、验证。Fengniu Lu：资源、软件、验证。Ding Cao：资源、软件。Yi Du：软件、验证。Zhiqin Yuan：概念构思、数据管理、资金获取、项目管理、监督。
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
本工作得到了北京市自然科学基金（2262026）、国家自然科学基金（22074005、22374008、22534007和U22A20397）以及河南省重点研发计划（251111321000）的支持。
