α/β-肽电化学响应特性及其在传感器设计中的多重调控策略研究

本综述系统探讨了由L-Ala与β-氟苯丙氨酸（β-Fpg）交替构成的α/β-肽（(L-Ala-β-Fpg)n）在电化学传感器中的应用潜力。研究通过调控肽链长度（n=1–3）、β2,3-二芳基氨基酸立体化学（R,R与S,S构型）及自组装行为，揭示了π-π堆叠作用对电子传输机制的主导性影响。通过优化自组装条件获得有序微纤维结构，显著增强了聚(3,4-乙撑二氧噻吩)（PEDOT）基电极对烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的检测性能，为新型肽基生物电子器件开发提供了重要理论依据和实践方案。

　　

引言

肽类分子因其优异的生物相容性、可编程的自组装特性及多样的生物活性，在纳米技术、生物医学和生物电子学领域展现出广阔应用前景。特别是在电化学传感领域，肽类不仅可作为识别元件，其本身也可能具备电子传输能力。含有芳香侧链（如酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸）的肽可通过π-π堆叠作用促进电子跳跃机制，从而实现电子转移。然而，肽的长度、立体化学及自组装形态对电学性能的影响机制尚不明确。近年来，α/β-肽折叠体因其可调控的构象和自组装行为受到关注，其中含syn-3-氨基-2-(2-氟苯基)-3-苯基丙酸（β-Fpg）的序列更易形成有序纳米结构。

材料与方法

本研究选取五种基于(L-Ala-β-Fpg)_n序列的α/β-肽（图1），包括两种二肽（DRR和DSS，n=1）、两种四肽（TRR和TSS，n=2）和一种六肽（HRR，n=3），所有肽的N端和C端分别采用Boc和OMe保护。通过在不锈钢基底上电聚合制备聚(3,4-乙撑二氧噻吩)（PEDOT）导电层，再通过滴涂法将肽溶液（二氯甲烷，5 mg/mL）沉积于PEDOT表面形成复合电极。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、扫描电子显微镜（SEM）和电化学方法（循环伏安法CV和电化学阻抗谱EIS）对材料进行表征。

结果与讨论

PEDOT/肽涂层表征

FTIR光谱证实肽成功负载于PEDOT表面，显示出酯键（1736 cm^?1）、酰胺II带（1567 cm^?1）和酰胺III带（1215 cm^?1）特征峰。UV-Vis显示所有肽在238 nm和263 nm处有π-π*跃迁吸收峰，其光学带隙（E_g）介于4.08–4.25 eV，远高于PEDOT的1.57 eV，表明肽本身半导体特性较弱。电化学测试表明，所有肽涂层均降低了PEDOT的电化学响应和导电性（图3–5），其中DRR形成无定形层（R_p=348 Ω cm^?2），DSS呈现部分有序的球状聚集体（R_p=100 Ω cm^?2），而更长肽链（TRR、TSS、HRR）则形成多孔但无序的涂层。这种绝缘效应主要归因于β-Fpg残基的额外碳原子阻碍了分子内和分子间π-π堆叠的有效形成。

NADH检测性能

以NADH为模型分析物评估传感器性能（图6）。未涂层PEDOT电极对NADH氧化（峰值0.4–0.5 V）的检测限（LOD）为0.13 mM，分析灵敏度（AS）为78.17 μA/(cm² mM)。所有肽涂层电极的性能均差于PEDOT对照组，但受肽长度和立体化学显著影响：DRR性能最佳（LOD=0.20 mM），DSS最差（LOD=0.31 mM）；四肽和六肽的检测性能进一步恶化（TRR LOD=0.41 mM, HRR LOD=0.60 mM）。结果表明，β-肽的引入虽增强了结构多样性，但无序组装体阻碍了电子传输和界面识别过程。

自组装调控对电化学响应的影响

通过优化溶剂条件（H₂O:HFIP=98:2），DSS可自组装形成高度有序的微纤维结构（长数百μm，厚6–10 μm）（图7）。X射线衍射（XRD）证实其晶体结构与单晶数据一致。此类结构显著提升了PEDOT/DSS电极的电化学响应：循环伏安曲线面积超过未涂层PEDOT，且经过25次 redox 循环后未出现活性衰减（图7e）。用于NADH检测时，自组装DSS微纤维电极表现出双重线性响应：低浓度区（≤250 μM）的AS高达1475 μA/(cm² mM)，LOD为0.13 mM；高浓度区（250 μM–6 mM）斜率仍远高于其他电极（图8）。这一现象归因于有序π-π堆叠促进了电子离域化和界面催化位点暴露。

结论

本研究系统阐明了α/β-肽的长度、立体化学和自组装行为对其电化学响应及传感性能的调控规律。发现β-Fpg残基的引入虽阻碍了挥发性溶剂中的快速有序组装，但通过热力学控制的溶剂优化（如水相混合溶剂）可诱导形成高度有序的微纤维结构，极大增强电子传输效率和NADH检测性能。结果表明，自组装程度是决定肽基电极性能的关键因素，为设计高性能生物电子器件提供了重要指导。

实验部分

肽合成采用标准固相合成法，β-Fpg合成规模扩大至29.8 mmol。电聚合PEDOT采用乙腈/LiClO₄体系，恒电位1.2 V初始化后扫描（-0.5 V至+1.4 V）。自组装研究通过调节HFIP/H₂O比例（0.5–2 mg/mL）实现。所有电化学测试均在PBS（pH 7.4）中进行，扫描速率50 mV/s。统计分析基于三次独立实验。