克服水氧化引起的信号屏蔽效应：一种基于 pillararene 的仿生人工受体电化学传感界面，通过增强主客体相互作用实现超灵敏的尸胺检测

《Talanta》：Overcoming Signal Masking by Water Oxidation: A Bioinspired Pillararene-Based Artificial Receptor Electrochemical Sensing Interface with Enhanced Host-Guest Interactions for Ultrasensitive Cadaverine Detection

　　贾汉·徐 | 元奇·叶 | 雅琳·毛 | 田文·范 | 辛·谢 | 德荣·曹 | 杰·杨 | 林贤·徐
中国广东省东莞市广东医科大学公共卫生学院药学院，523808

**摘要**
尸胺（Cad）的直接电化学检测受到严重阻碍，因为其氧化信号被水氧化的强烈背景信号所掩盖。有效的界面传感需要将目标分子富集在表面，并将这一事件转化为可测量的信号。受生物界面上分子识别的启发，本研究提出了一种超分子仿生策略，通过创建基于人工受体的传感界面来克服这一限制。通过电化学聚合，制备了含有柱[5]芳烃人工受体（P1、P2）的聚吡咯基界面。这些合成受体依靠其大环腔体，通过主客体相互作用选择性地捕获并浓缩电极表面的尸胺。这种界面富集有效地促进了尸胺的氧化，超过了水氧化的竞争，将原本无法检测到的信号转化为强烈的响应。值得注意的是，含有三氟甲磺酰基修饰的柱[5]芳烃单元的P1界面提供了额外的氢键作用，增强了尸胺的结合能力和灵敏度。所得传感器在尸胺检测方面表现出优异的性能：宽线性范围（1 nM至8 mM），超低检测限（0.39 nM），高选择性以及良好的稳定性。在真实猪肉样品中的成功应用与HPLC结果一致，验证了其在食品安全监测中的实际效用。本研究开创了一种基于超分子界面富集的新型非酶促传感方法，为电化学传感提供了一个多功能平台策略，特别适用于背景复杂的分析物。

**引言**
尸胺（Cad）是一种在蛋白质丰富食物微生物腐败过程中产生的生物胺，是分解和食品安全的关键指标[1]。过量摄入尸胺会带来健康风险，包括高血压、胃肠道疾病、恶心和过敏反应[2]，因此需要开发方便、快速且灵敏的检测方法[3]。目前，检测食品中尸胺的方法主要涉及光谱技术[4]、高效液相色谱（HPLC）[6]和气相色谱-质谱（GC-MS）[7]。然而，这些方法通常成本较高，需要专门的技术知识，并且通常涉及多个样品制备步骤，如衍生化、提取和预浓缩[8]。近年来，电化学分析技术因其在成本效益、良好选择性、快速响应和高灵敏度方面的优势而显示出巨大的潜力[9]、[10]、[11]。在尸胺的电化学传感策略中，基于酶的生物传感器是一种常用的方法[12]、[13]、[14]、[15]。这些生物传感器通过检测由胺氧化酶催化的尸胺氧化产生的H2O2来间接测量尸胺。例如，Amin等人开发了一种二胺氧化酶（DAO）功能化的多壁碳纳米管电极用于尸胺检测，通过酶促生成H2O2作为电活性物质实现了高灵敏度[16]。类似地，其他基于DAO的电化学生物传感器也被报道能够通过酶催化的氧化反应选择性地检测生物胺[17]、[18]、[19]。然而，它们的实际应用往往受到酶固定困难的限制，这可能会影响酶的稳定性和活性，以及生物分子在操作条件下的普遍脆弱性。因此，非酶促电化学传感器已成为尸胺检测的有希望的替代方案[20]、[21]。

已经开发了多种基于非酶促电化学策略的尸胺检测方法，主要结合了伏安法和安培法与功能电极材料[22]。例如，含有石墨烯衍生物、金属纳米颗粒（如AuNPs）和导电聚合物的纳米材料修饰电极被广泛探索，以增强电子转移动力学并提高分析性能[23]。这些纳米结构材料提供了大的比表面积和优异的导电性，显著改善了信号响应。然而，尽管具有这些优势，非酶促平台仍面临直接检测尸胺的挑战，因为尸胺的氧化电位位于水氧化电位范围内，导致其法拉第信号完全被水氧化背景信号所掩盖，使得在传统电极上进行直接电化学检测变得不切实际。为了克服这一限制，我们从生物传感界面（如细胞膜）中获得灵感——在这些界面中，嵌入的受体选择性地结合目标分子并将识别事件转化为生化信号。模仿这种自然设计，超分子主客体策略提供了一个有吸引力的解决方案。该策略侧重于界面富集而非整体信号放大。具体来说，我们的目标是构建一个能够在电极表面选择性地捕获和浓缩尸胺的人工受体界面。这种局部富集有效地增加了反应层内的尸胺浓度，从而促进了其氧化，超过了背景水氧化，将原本被掩盖的信号转化为可测量的信号。通过在电极表面工程化合成主单元，可以构建一个人工受体传感界面，提供选择性地捕获尸胺所需的精确分子识别，从而将结合转化为可测量的电化学信号。在超分子主体中，柱芳烃是一个非常有前途的候选材料，因为它易于合成、功能化，并具有出色的主客体相互作用特性[24]、[25]。更重要的是，经过共轭修饰后，柱芳烃的富电子腔体可以将主客体相互作用转化为易于检测的信号，如光学或电信号[26]、[27]，例如荧光腔体主体[28]、[29]。此外，功能化的柱芳烃可以通过出色的主客体相互作用在其腔体内实现特定烷基二胺的高选择性结合[30]。因此，基于柱芳烃的传感界面在实现高灵敏度的非酶促电化学检测尸胺方面具有巨大潜力。

然而，柱芳烃在电化学传感中的直接应用受到两个限制：（1）其电导率低；（2）难以在电极表面上实现稳定和可重复的固定，这通常依赖于复合基质或繁琐的修饰步骤[31]、[32]。开发一种简单有效的策略，同时确保稳定的界面制备并提高电子转移效率，对于充分利用柱芳烃在传感应用中的潜力至关重要。

聚吡咯因其高电导率和易于合成而成为电化学传感的理想平台[33]、[34]。通过将吡咯单元与柱芳烃共价结合，可以通过一步电聚合原位制备出稳健的传感界面。这种设计同时解决了电荷转移差和固定不稳定的关键问题，这些问题限制了基于柱芳烃的电化学传感界面。在这项工作中，我们开发了一种基于柱[5]芳烃的超分子人工受体的电化学传感界面（传感器），该界面模仿了生物分子受体的特异性识别和信号转导功能。为了构建这些界面，设计并合成了两种电活性N-连接的吡咯功能化柱[5]芳烃单体：单吡咯（M1）和双吡咯（M2），方法是将经典的电聚合吡咯单元引入柱[5]芳烃骨架（图1）。M1或M2的电聚合分别在电极表面上一步制备出导电聚吡咯薄膜（P1和P2），并集成了柱[5]芳烃识别单元。P1和P2界面通过与柱[5]芳烃单元的主客体相互作用实现了对尸胺的特异性电化学识别。相比之下，通过电聚合结构相似但缺乏大环腔体的单体CM1和CM2制备的对照聚合物CP1和CP2对尸胺几乎没有电响应。此外，P1显示出更强的尸胺检测能力。这种增强源于在其柱[5]芳烃单元上故意引入了OTf基团（三氟甲磺酰氧基），这被证实可以在与尸胺的腔体内结合过程中提供额外的氢键位点。在优化条件下，P1修饰的电极在尸胺检测方面表现出出色的分析性能，包括宽线性范围（1 nM ～ 8 mM）、低检测限（0.39 nM）、高选择性和稳定性以及可重复性。该传感器成功应用于复杂猪肉样品的检测，结果与HPLC获得的结果一致，证明了其在实际样品中方便、快速和高灵敏度监测尸胺的潜力。本研究提供了一种基于柱芳烃人工受体的高灵敏度非酶促电化学传感平台的仿生策略，并推进了主客体化学在电化学界面增强信号转导中的应用。

**材料与试剂**
所有用于化合物合成的试剂，如四（三苯基膦）钯(0)（Pd(PPh3)4）、1-溴己烷、氢醌、N-溴琥珀酰亚胺（NBS）、1-苯基吡咯（CM1）、4-吡啶硼酸 pinacol 酯以及其他试剂，均从J&K Scientific Ltd.（北京，中国）、Bide Pharmatech Ltd.（上海，中国）和Energy Chemical Ltd.（上海，中国）购买，无需进一步纯化。含有两个OTf基团的衍生柱[5]芳烃（化合物1，图S1）

**P1、P2、CP1和CP2的结构表征和形态**
FT-IR分析证实，聚合物通过电化学聚合成功合成。如图1和图S12所示，P1、P2、CP1和CP2中观察到了聚吡咯的特征峰[36]。约3020 cm-1处的峰归因于不饱和C-H伸缩振动，约2990 cm-1处的峰归因于饱和C–H伸缩振动，1500 cm-1处的峰属于吡咯环的C-C/C=C伸缩振动，1200 cm-1处的峰属于...

**结论**
受生物界面的启发，我们开发了一种新型电化学传感器，解决了在主导水氧化背景下检测尸胺的基本挑战。这项工作解决了界面传感中的一个关键要求：在电极表面实现有效的目标富集和强信号生成。这一成就的关键是一种仿生传感界面，其中导电聚吡咯与功能化的柱[5]芳烃单元相结合。

**作者贡献声明**
杰·杨：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，资金获取。
林贤·徐：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，资金获取。
贾汉·徐：撰写 – 原稿，验证，研究，数据管理。
元奇·叶：数据管理。
雅琳·毛：数据管理。
田文·范：数据管理。
辛·谢：数据管理。
德荣·曹：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**数据可用性**
数据可根据请求提供。

**致谢**
本工作得到了国家自然科学基金（22071066）；广东省自然科学基金（2025A1515012090, 2023A1515140097）；广东省医学科学技术研究基金项目（A2024175）；广东医科大学博士研究生基金（GDMUB2023027）；广东医科大学临床与基础科技创新专项项目（GDMULCJC2024101）的财政支持。