将基于苯-1,4-二硼酸的共价有机框架与导电的分子印迹聚合物结合，用于实现高性能的无酶电化学检测乳酸

《Materials Science and Engineering: B》：Integration of a benzene-1,4-diboronic acid-based covalent organic framework with a conductive molecularly imprinted polymer for high-performance enzyme-free electrochemical detection of lactic acid

基于苯偶姻二酸构建的共价有机框架（COF）与聚吡咯分子印迹聚合物（MIP）复合结构，成功开发了一种新型酶-free乳酸（LAC）电化学传感器。该传感器具有0.16 μM的超低检测限，0.50-5500 μM宽线性范围，高稳定性和选择性，为癌症生物标志物检测提供了新方法。

　　

Somayeh Farokhi | Ali Mokari | Abdullah Salimi

库尔德斯坦大学化学系，伊朗萨南达吉，邮编66177-15175

摘要

本报告介绍了一种创新的无酶电化学传感器，用于选择性检测乳酸（LAC）。该传感器结合了从苯-1,4-二硼酸（COF）衍生的共价有机框架和分子印迹聚合物（MIP），实现了对LAC的高效检测。COF具有优异的化学结构和较大的表面积，与导电聚合物（聚吡咯）结合后，显著提升了传感器的性能。在检测过程中，LAC的羟基与COF的羟基之间的相互作用进一步增强了传感器的灵敏度。该传感器表现出较低的检测限（LOD = 0.16 μM）、宽的线性浓度范围（0.50–5500 μM）、良好的稳定性和高选择性。在癌症患者中，LAC的水平可作为疾病不同阶段的生物标志物。本研究开发的传感器展示了其在实际人体血浆样本中检测LAC作为癌症生物标志物的潜力。

引言

乳酸（LAC），化学名为2-羟基丙酸（CH?-CHOH-COOH），是一种参与人类、动物和微生物代谢过程的重要有机化合物[1]。LAC的检测在临床诊断、医学和食品工业等多个领域具有重要意义[2]、[3]、[4]。某些食品中的LAC含量会影响其味道、pH值和稳定性[5]、[6]。例如，在牛奶等食品中，高水平的LAC表明食品可能已经变质或受到细菌污染[3]、[7]。因此，LAC的含量可以作为储存条件、新鲜度和牛奶质量的指示指标[3]、[8]。在正常生理条件下，健康个体的血液中LAC浓度通常在0.5至1 mM之间[9]、[10]。当LAC浓度≥4.0 mM时，通常被认为具有临床意义，并可能与严重的病理状况相关[11]、[12]。多项研究强调了LAC检测在癌症监测和早期发现中的重要性[1]、[9]、[12]、[13]、[14]。由于LAC与癌症引起的代谢变化有关，它在癌细胞筛查中起着关键作用[9]。换句话说，癌细胞在糖酵解过程中会将葡萄糖转化为副产物LAC，从而增加患者血液中的LAC水平[14]、[15]。因此，监测LAC水平不仅有助于癌症的早期诊断，也有助于整个治疗过程。

根据上述解释，有必要开发高性能的LAC检测方法，以减少食物中毒、评估食品质量并检测癌症的不同阶段。新的和改进的LAC检测方法受到了广泛关注[15]。目前已有多种LAC检测方法，包括高效液相色谱（HPLC）[16]、[17]、气相色谱-质谱（GC–MS）[18]、[19]、基于酶的比色法和荧光法[20]、[21]、[22]以及分光光度技术[23]。尽管这些方法通常具有可接受的准确性，但许多方法存在局限性，如复杂性、高成本、分析时间长、不适合现场分析以及需要熟练的操作人员[9]。相比之下，电化学方法相对简单、成本较低，且分析时间较短[24]、[25]。由于基于生物元素（如酶）的方法存在稳定性有限、对环境条件敏感以及功能寿命短等缺点，人们越来越关注无酶策略[3]。近年来，纳米材料、改性电极和合成聚合物作为酶的替代品受到了关注[26]、[27]。

在这方面，分子印迹聚合物（MIP）在电化学传感器设计中是一种流行且快速发展的方法。开发基于MIP的传感器的主要动机是需求简单、高选择性的系统，能够检测多种分析物。MIP是一种合成材料，具有特定的识别腔体，能够与目标分子的功能基团、大小和形状相匹配[28]。通过将功能单体与目标分析物结合进行聚合反应，去除模板分子后可获得具有选择性结合腔体的聚合物基质[29]、[30]、[31]。由于其多功能性和可定制性，MIP在设计和制造可靠且高选择性的传感器方面得到了广泛应用[32]。

设计电化学传感设备的一个重要因素是仔细选择平台，结合高效纳米材料的合成以及多种方法的集成，以达到最佳性能[33]、[34]。共价有机框架（COF）最初于2005年开发，是一类多孔晶体材料。这些框架由碳、硼、氢和氧等非金属元素通过共价键连接而成，具有高表面积、刚性结构、低密度、优异的热稳定性以及针对特定应用进行定制的能力[35]、[36]、[37]。然而，COF的低导电性通常限制了其电化学应用。不过，将其与导电组件结合可以显著提升性能[38]。

将COF与MIP结合是一种提高电化学传感器性能的有前景策略。COF提供了较大的表面积和孔隙率，而MIP通过分子印迹提供了针对目标分析物的特异性识别位点，从而提高了选择性。这种互补效应使得COF/MIP混合系统在电化学传感应用中特别有吸引力。聚吡咯是一种导电聚合物，可以通过吡咯单体的电聚合制备[39]。由于其易于合成、高导电性和良好的稳定性，聚吡咯被广泛应用于电容器制造[40]、电化学传感和生物传感器[39]以及药物输送[41]。在基于MIP的电化学传感器中，聚吡咯可以直接在电极表面电聚合，形成具有定义明确的印迹腔体的均匀稳定层。去除模板分子后，这些腔体能够实现目标分析物的选择性结合，而聚吡咯的导电性使得结合过程能够有效地转化为电化学信号。因此，吡咯被认为是基于MIP的电化学传感设计的理想单体[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。

在本研究中，使用苯-1,4-二硼酸合成了多孔晶体COF。本研究的新颖之处在于首次将苯-1,4-二硼酸衍生的COF与聚吡咯MIP结合用于LAC检测。这种创新方法利用了COF的独特性质，包括增加的有效表面积和通过氢键形成的有效相互作用，结合了聚吡咯的优异导电性和MIP的高选择性。导电聚合物基质是通过在经过COF修饰的电极表面上电聚合吡咯制备的。去除模板分子后，形成了与LAC的形状、大小和功能基团精确匹配的识别位点。本研究与以往关于COF/MIP系统的报道相比，其不同之处在于所使用的COF结构不同，COF和聚吡咯在提升传感器性能方面的互补作用，以及其在LAC检测中的新生物应用。这项研究提供了一种新的高效LAC检测策略，可能有助于改进癌症筛查方法。

材料与试剂

本研究中使用的化学品包括苯-1,4-二硼酸（C?H?B?O?）、吡咯（C?H?N）、乙醇（C?H?OH）、氯化钾（KCl）、高氯酸钠（NaClO?）、乳酸（C?H?O?）、间二甲苯（C?H??）、1,4-二氧烷（C?H?O?）、亚铁氰化钾（K?[Fe(CN)?）和铁氰化钾（K?[Fe(CN)?），均来自Sigma-Aldrich和Merck公司，无需进一步纯化。这些化合物直接溶解在0.1 M磷酸盐缓冲液（PBS）中制备。

合成COF的表征研究

通过FESEM图像研究了合成COF的表面特征（图2 A, B）。结果表明，COF形成了规则的片状纳米结构。COF的多孔结构和锐利的边缘作为电极修饰剂时可以增加表面积。此外，还拍摄了聚吡咯电聚合后以及去除模板分子前后的修饰电极的FESEM图像（图S1）。

结论

本研究首次合成了基于苯-1,4-二硼酸的多孔晶体COF。首次将COF与MIP结合，用于制造无酶电化学传感器，以实现LAC的检测，这是癌细胞筛查的关键因素。MIP基于聚吡咯导电聚合物，使得传感器对LAC具有高选择性。在LAC检测过程中，LAC与COF中的羟基之间的氢键相互作用起到了关键作用。

CRediT作者贡献声明

Somayeh Farokhi：撰写 – 审稿与编辑，原始稿撰写，方法学研究，数据管理。 Ali Mokari：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化，方法学研究，数据分析。 Abdollah Salimi：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，项目管理，方法学研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了伊朗国家精英基金会（资助编号：15.39285）的财政支持。作者感谢伊朗国家精英基金会的支持，同时也感谢库尔德斯坦大学为实验提供必要的条件。