利用Cu?Fe(CN)?/Cu-苯六硫醇金属有机框架的信号放大分子印迹电化学传感器，实现对美沙酮及其代谢物EDDP的超灵敏检测

《Bioscience Reports》：Signal-amplified Molecularly Imprinted Electrochemical Sensor using Cu 2Fe(CN) 6/Cu-benzenehexathiol Metal-organic Framework for Ultra-Sensitive Detection of Methadone and its Metabolite EDDP

本研究开发了一种基于Cu2Fe(CN)6/CB-MOF复合材料的信号放大型分子印迹电化学传感器，用于超灵敏检测市政污水和河水中的吗啡及代谢物EDDP，检测限达99.86 pg/L和3.28 ng/L，并具备高稳定性、选择性和再生性，为现场监测毒品滥用提供新方法。

　　本研究提出了一种基于Cu?Fe(CN)?/CB-MOF复合材料的新型信号增强分子印迹电化学传感器，用于在市政污水和河水等环境中检测甲基苯丙胺（methadone）及其代谢产物EDDP。甲基苯丙胺是一种广泛用于镇痛和替代疗法的合成阿片类药物，用于缓解海洛因和芬太尼等常见滥用阿片类药物的戒断症状并抑制成瘾行为。尽管它在减少伤害策略中发挥着关键作用，但其滥用、过量服用和不当处置仍然引发严重的公共卫生和环境问题。甲基苯丙胺及其主要代谢产物EDDP在污水中频繁被检测到，由于其在污水处理厂中的去除效率较低（通常低于40%），其存在可能对水生生态系统和公众健康构成潜在风险。近年来，污水流行病学（WBE）作为一种评估人群药物消费趋势的工具逐渐受到重视。甲基苯丙胺和EDDP在使用后通过尿液和粪便排入污水，因此成为评估阿片类药物消费的可靠生物标志物。值得注意的是，EDDP的排泄因子是甲基苯丙胺的两倍，使其成为评估甲基苯丙胺摄入的更合适的指标。检测甲基苯丙胺和EDDP不仅有助于评估社区层面的阿片类药物使用情况，还能支持毒品滥用的溯源分析。因此，在市政污水和地表水中监测甲基苯丙胺及其代谢产物EDDP的浓度对于评估生态污染以及改进非法药物使用监控具有重要意义。

在污水和地表水中，甲基苯丙胺及其代谢产物EDDP通常存在于超痕量浓度，通常在纳克每升（ng/L）范围内。它们的定量分析标准方法是固相萃取与液相色谱-串联质谱联用（SPE-LC-MS/MS），该方法具有高灵敏度和选择性。然而，这种技术需要昂贵的仪器、复杂的样品制备过程以及专业的操作人员，因此不适合快速现场检测。近年来，开发了便携式设备，如紧凑型质谱仪、显色试纸、手持拉曼和红外光谱仪以及便携式荧光计，用于生物或街头样本中阿片类药物的定性或半定量分析，尤其是在浓度相对较高的情况下。然而，当这些方法应用于污水和河水中的甲基苯丙胺和EDDP检测时，仍然需要预浓缩步骤，并且容易受到复杂水基质的干扰。因此，开发一种快速、用户友好且高度灵敏的检测技术，以在市政污水和河水环境中检测甲基苯丙胺及其代谢产物EDDP，是亟需解决的问题。

电化学传感技术具有响应迅速、灵敏度高、便于携带和成本低廉等优势，使其成为现场检测痕量污染物的有吸引力方法。作为一种电活性化合物，甲基苯丙胺可以在纳米材料修饰的电极上直接发生电化学氧化反应。已有大量研究利用碳基纳米材料来增强其在生物基质如血液和尿液中的电化学响应。例如，Zeynab等人开发了一种基于碳布电极上电沉积金纳米颗粒（AuNPs）和聚噻吩薄膜的电化学传感器，该传感器在人类血液、血清和尿液样本中表现出一个清晰的氧化峰，位于0.75 V（相对于标准甘汞电极，SCE，pH 7.0）处，并且在这些样本中实现了14 nM的检测限（LOD）。同样，Han等人构建了一种基于玻璃碳电极（PANI/g-C3N4/GCE）的传感器，该传感器在尿液中表现出一个氧化峰，位于0.85 V（相对于Ag/AgCl，pH 7.4）处，并且在尿液中实现了4 nM的检测限。然而，催化电化学检测方法通常无法达到在复杂环境基质如污水中检测甲基苯丙胺在纳克每升或更低水平所需的灵敏度。

将电化学传感技术与特定的分子识别元件相结合，可以实现对复杂样本中非法药物的高灵敏度和高选择性检测，其检测浓度可低至皮摩尔（pM）级别。分子印迹聚合物（MIPs）被广泛认为是“人工抗体”，因其可调的结合位点、成本效益的合成过程以及在极端环境条件下的优异稳定性，成为传统生物识别元件如酶、抗体和适配体的替代选择。基于分子印迹的信号放大策略通过选择性吸附增强对痕量分析物的检测。在这个过程中，通常引入红ox探针，通过监测目标与空腔之间的相互作用引起的电流变化来实现检测。这种间接检测方法可以广泛应用于各种分析物。为了克服外部添加红ox探针（如[Fe(CN)?]3?/??）所带来的复杂性和变异性，研究人员采用普鲁士蓝类似物（PBAs）作为内置的红ox报告探针。PBAs可以通过滴铸或电沉积方式固定在电极表面，并已被成功应用于检测多种分析物，如4-羟基苯乙酮、双酚A和玉米赤霉烯酮。尽管PBAs具有良好的物理化学特性，包括高比表面积和高效的电子迁移能力，但它们单独使用可能无法提供足够的界面印迹容量。因此，扩大有效电极面积和富集可访问的印迹空腔的策略对于提高传感器灵敏度至关重要。

导电金属有机框架（MOFs）具有高比表面积、优异的导电性和丰富的可访问金属位点，使其在电催化和电化学传感应用中具有极大的吸引力。通过模板牺牲合成策略，可以调节合成参数，将原本绝缘的MOFs转化为导电MOFs。这种方法保留了MOFs原有的高比表面积，同时显著提高了导电性，从而增加了活性位点的密度并提高了电子传输效率。因此，通过此类方法合成的导电MOFs具有固有的孔隙性和丰富的金属配位中心，使其成为嵌入红ox探针的理想载体，用于表面分子印迹电化学传感平台。

在本研究中，通过结合纳米结构工程与计算引导的单体筛选策略，开发了一种多功能复合材料MIP/Cu?Fe(CN)?/CB-MOF，用于在市政污水和河水等环境中对甲基苯丙胺及其代谢产物EDDP进行信号放大和选择性电化学检测。如图1所示，CB-MOF是通过模板牺牲法合成的，其中丰富的Cu位点作为配位中心，用于在原位与Fe-CN结合。这一过程产生了一种包含嵌入式红ox探针的Cu?Fe(CN)?/CB-MOF复合材料纳米结构。电子结构被调节以增强电化学响应，同时框架的高比表面积促进了大量印迹位点的形成。此外，密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟被用于识别具有强相互作用的高亲和力功能单体PABA，用于甲基苯丙胺和EDDP的识别。MIP层通过电聚合在Cu?Fe(CN)?/CB-MOF修饰的工作电极上构建，从而实现特定分子识别。该电化学传感器表现出优异的灵敏度和选择性，并成功应用于环境水样中甲基苯丙胺和EDDP的检测。本研究突显了所提出的传感器平台在复杂基质如污水中进行痕量阿片类药物监测的潜力。

在本研究中，为了筛选出适合构建分子印迹层的功能单体，采用了密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟进行计算分析。通过评估结合能和氢键形成情况，识别出与甲基苯丙胺具有强相互作用的功能单体。图1a展示了20种含苯环或碳-碳双键的功能单体，以及氢键供体或受体。这些单体包括邻苯二胺（OPD）、间苯二胺（MPD）、对苯二胺（PPD）和邻氨基苯酚等。通过计算模拟，研究人员可以预测这些单体与目标分子之间的相互作用模式，从而优化分子印迹层的设计。选择合适的功能单体对于提高传感器的特异性至关重要，因为它们能够提供高亲和力的结合位点，使传感器在复杂环境基质中能够准确识别甲基苯丙胺和EDDP。此外，分子印迹层的构建需要考虑单体的聚合条件，以确保形成稳定的三维结构，从而增强目标分子的结合能力。

在本研究中，采用的Cu?Fe(CN)?/CB-MOF复合材料具有独特的结构和性能，使其在电化学传感中表现出优异的信号增强能力。CB-MOF是一种通过模板牺牲法合成的导电材料，其合成过程涉及在原位形成Fe-CN配位结构，并将Cu位点作为配位中心。这种结构不仅保留了MOFs的高比表面积，还显著提高了导电性，从而增加了活性位点的密度并提高了电子传输效率。通过这种复合材料，研究人员能够实现对甲基苯丙胺和EDDP的高灵敏度检测，其检测范围广泛，分别为EDDP的2.78 ng/L至277.4 mg/L，以及甲基苯丙胺的309.5 ng/L至309.5 mg/L，检测限分别为99.86 pg/L和3.28 ng/L。这些性能表明，该传感器在复杂基质中具有高度的适用性，能够有效区分甲基苯丙胺和EDDP与其他可能的干扰物质。此外，该传感器还表现出良好的稳定性、选择性和可重复性，使其在实际应用中具有较大的优势。

在本研究中，研究人员还对传感器的性能进行了系统的评估，包括其稳定性、选择性和可重复性。通过在不同条件下测试传感器的响应，研究人员发现该传感器在长时间使用后仍能保持较高的灵敏度和选择性，表明其具有良好的稳定性。此外，通过与不同浓度的干扰物质进行比较，研究人员发现该传感器能够有效区分甲基苯丙胺和EDDP，显示出良好的选择性。可重复性测试也表明，该传感器在多次重复使用后仍能保持一致的检测结果，进一步验证了其在实际应用中的可靠性。此外，研究人员还评估了传感器的再生能力，发现通过适当的清洗和再生步骤，传感器可以恢复其原始性能，从而延长其使用寿命。这些性能的评估为该传感器在实际环境监测中的应用提供了重要的支持。

在本研究中，研究人员还考虑了传感器的适用性，特别是在复杂基质如污水和河水中的实际应用。通过在这些环境中测试传感器的性能，研究人员发现该传感器能够有效检测甲基苯丙胺和EDDP，显示出良好的适用性。此外，研究人员还对传感器的检测结果进行了验证，发现其检测结果与传统的SPE-LC-MS/MS方法具有良好的一致性，进一步验证了其准确性。这些结果表明，该传感器不仅在实验室条件下具有优异的性能，而且在实际环境中也能够稳定运行，为污水流行病学（WBE）提供了一种可行的检测手段。

本研究的成果为污水流行病学（WBE）提供了新的技术支持，使得在复杂基质中对阿片类药物的监测变得更加高效和便捷。通过将分子印迹技术与导电MOFs结合，研究人员开发了一种具有信号增强能力的电化学传感器，该传感器能够在市政污水和河水等环境中实现对甲基苯丙胺和EDDP的高灵敏度检测。这种技术的创新不仅提高了检测的准确性，还降低了检测的复杂性和成本，使其更适合现场应用。此外，该传感器的高选择性和稳定性使其能够有效区分甲基苯丙胺和EDDP与其他可能的干扰物质，为污水中阿片类药物的检测提供了可靠的工具。

本研究还为未来的研究提供了重要的启示。通过将计算方法与实验方法相结合，研究人员能够更高效地筛选出适合构建分子印迹层的功能单体，从而优化传感器的设计。这种跨学科的方法不仅提高了研究的效率，还增强了研究的科学性。此外，导电MOFs的合成方法也为未来开发新型电化学传感器提供了新的思路。通过调节合成参数，研究人员能够实现对导电MOFs的定制化合成，使其更适合特定的应用需求。这些研究成果为未来在环境监测、公共卫生和药物滥用研究中的应用提供了重要的参考。

本研究的创新点在于将分子印迹技术与导电MOFs结合，从而开发出一种具有信号增强能力的电化学传感器。这种传感器不仅在实验室条件下表现出优异的性能，而且在实际环境中也能够稳定运行，为污水流行病学（WBE）提供了一种可行的检测手段。此外，该传感器的高选择性和稳定性使其能够有效区分甲基苯丙胺和EDDP与其他可能的干扰物质，为污水中阿片类药物的检测提供了可靠的工具。通过这种技术，研究人员能够实现对甲基苯丙胺和EDDP的高灵敏度检测，其检测范围广泛，检测限极低，为污水中阿片类药物的监测提供了重要的支持。

本研究的成果表明，分子印迹电化学传感器在复杂基质中具有广阔的应用前景。通过结合计算方法和实验方法，研究人员能够更高效地设计和优化传感器，使其在实际应用中具有更高的准确性和可靠性。此外，该传感器的高灵敏度和宽检测范围使其能够满足不同环境监测需求，为污水流行病学（WBE）提供了一种新的检测手段。这些研究成果不仅有助于提高污水中阿片类药物的监测能力，还为公共卫生和环境保护提供了重要的支持。未来，随着相关技术的不断发展和完善，这种传感器有望在更多领域得到应用，为环境监测、药物滥用研究和公共卫生管理提供更加高效和可靠的工具。