卤素取代席夫碱铜基电化学传感器用于神经递质多巴胺的选择性检测：DFT与分子对接分析的启示

本研究针对神经递质多巴胺（DA）检测中存在的选择性与干扰问题，开发了基于卤素取代席夫碱配体的铜(II)配合物(C1-C3)电化学传感器。通过DFT计算与分子对接分析揭示了作用机制，其中C3修饰电极展现出优异性能（检测限0.52 μM，灵敏度3.72 μAμM?1cm?2），为神经系统疾病诊断提供了高选择性检测新方案。

　　

神经递质多巴胺（Dopamine, DA）作为调节情绪、动机和运动控制的关键化学信使，其浓度异常与帕金森病、阿尔茨海默病等神经系统疾病密切相关。然而，在实际生物样本中，多巴胺的精确检测面临巨大挑战——其与结构相似的分子如γ-氨基丁酸（GABA）、尿酸（UA）、抗坏血酸（AA）和葡萄糖等共存，导致传统检测方法易受干扰，选择性和灵敏度难以兼顾。现有电化学传感器虽具有快速、成本低的优势，但往往无法有效区分这些干扰物，特别是在复杂生物环境中。因此，开发能够特异性识别多巴胺的新型传感材料成为当前研究的热点。

在这项发表于《Results in Chemistry》的研究中，南非约翰内斯堡大学的研究团队巧妙设计了一系列卤素取代的席夫碱铜(II)配合物（C1-C3），通过分子结构的精细调控，成功构建了高性能多巴胺电化学传感器。研究人员采用一锅法室温合成策略，未分离配体直接合成铜配合物，通过X射线单晶衍射（SCXRD）证实了其固态结构：配体以双齿单负电形式通过氧和氮原子与Cu(II)配位，形成方形平面几何构型。电化学测试表明，C3修饰的玻碳电极（GCE）表现出卓越的传感性能，对2-10 μM浓度范围内的多巴胺具有线性响应，且不受常见生物干扰物的影响。理论计算进一步揭示了卤素取代基通过调节电子效应和空间位阻，增强了配合物与多巴胺的相互作用，其中C3因含碘和硝基取代而具有最优的电子转移能力。

研究团队综合运用了多种关键技术方法：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、元素分析和质谱（MS）进行配合物表征；采用单晶X射线衍射（SCXRD）解析晶体结构；使用差分脉冲伏安法（DPV）和循环伏安法（CV）评估电化学传感性能；结合密度泛函理论（DFT）计算、分子对接和分子动力学（MD）模拟阐明作用机制。所有化学试剂均为分析级，未进一步纯化直接使用。

在结果部分，3.1合成研究显示三种配合物在室温甲醇溶液中稳定形成，晶体结构证实其为单核均配型正方形平面构型。3.2红外光谱研究中，C=N伸缩振动峰位移证实氮原子配位，而O-H峰消失表明酚氧去质子化，新出现的Cu-O（526-536 cm^-1）和Cu-N（425-431 cm^-1）振动峰证明了配合物形成。3.3电子光谱分析显示三个吸收带分别归属于π→π跃迁（232-279 nm）、n→π跃迁（300-331 nm）和d-d跃迁（400-445 nm），证实金属离子存在。3.4晶体结构描述揭示了C1属于正交晶系Pbca空间群，C2中配体呈现罕见的顺式构型，C3则通过I…O相互作用形成一维聚合物链。

最重要的3.5电化学研究发现：C1和C3能有效检测多巴胺，而C2在所有测试浓度下均无响应。C3修饰电极表现出最佳性能，在pH 7条件下灵敏度达3.72 μAμM^?1cm^?2，检测限为0.52 μM，显著优于C1（灵敏度0.72 μAμM^?1cm^?2，检测限1.67 μM）。计时安培法研究表明，C3对多巴胺具有高度选择性，在15 μM浓度的GABA、UA、AA和葡萄糖存在下仍保持稳定响应。3.7构效关系（SAR）分析表明，C3的优异性能源于碘和硝基的强吸电子效应，增强了与多巴胺的静电和π-π相互作用。3.8机理研究证实，配合物通过催化多巴胺氧化为多巴胺醌（dopamine-quinone）实现检测，Cu(II)/Cu(I)氧化还原对在其中起关键作用。

理论计算部分（3.9-3.11）提供了分子层面的解释：DFT计算显示C3具有最高的化学势（-0.225）和适中的亲电性指数（8.44），表明其更强的电子交换能力；分子对接发现C3与多巴胺羟基形成配位键（结合能-24.817 kcal/mol），而C2仅通过π-π相互作用（结合能-7.486 kcal/mol）；100 ns分子动力学模拟证实C3-多巴胺复合物结构稳定（RMSD偏差仅1.2 ?），Cu(II)离子与多巴胺羟基距离适宜于电子转移。

该研究最终得出结论：卤素取代策略成功调控了席夫碱铜配合物的电子结构，其中C3凭借碘和硝基的协同效应，实现了对多巴胺的高选择性和高灵敏度检测。这种分子工程方法为设计新型电化学传感器提供了重要思路，不仅推动了神经化学检测技术的发展，更为神经系统疾病的早期诊断提供了潜在工具。值得注意的是，研究人员首次采用配体-配体对接策略研究金属配合物与小分子的相互作用，为类似体系的理论研究开辟了新途径。研究展现的C3修饰电极在稳定性（两周内响应衰减<3.0%）和重现性（RSD=2.50%）方面的优异表现，也为其实际应用奠定了坚实基础。