《Microchemical Journal》：Designing a high-performance Electrochemiluminescence sensor for 3-MCPD using molecularly imprinted polyaniline and computational interaction energy analysis
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本研究开发了一种基于[Ru(bpy)?]2+/三乙胺系统和聚苯胺分子印迹聚合物（MIP）的高灵敏度电化学发光（ECL）传感器，用于检测3-氯-1,2-丙二醇（3-MCPD）。通过DFT计算验证了PANI与3-MCPD的强相互作用，传感器在pH7条件下对3-MCPD检测限达21.68 nM，灵敏度0.22 a.u./nM·mm?2，并成功应用于含油基质中的检测。
作者名单：Eni Sutanti、Muhammad Abdulkadir Martoprawiro、Harmesa Harmesa、Afiten Rahmin Sanjaya、Isnaini Rahmawati、Yasuaki Einaga、Tribidasari Anggraningrum ivandini
印度尼西亚大学数学与自然科学学院化学系，印度尼西亚雅加达Depok校区，邮编16424
摘要
本文成功开发了一种高灵敏度的电化学发光（ECL）传感器，用于检测3-氯丙烷-1,2-二醇（3-MCPD）。该传感器采用了[Ru(bpy)?]2?/三乙胺体系，并结合了分子印迹聚合物（MIP）技术。选择聚苯胺（PANI）对丝印碳电极（SPCE）进行改性，以提供促进离子迁移和电荷转移的活性位点，从而实现生物相容性相互作用。通过密度泛函理论（DFT）评估了PANI与3-MCPD之间的分子相互作用，结果表明其具有较高的亲和力和选择性。在ECL体系中，3-MCPD能有效抑制[Ru(bpy)?]2?的发光，表明其在传感机制中起着关键作用。该传感器的检测限为21.68 nM，灵敏度为0.22 a.u. nM?1 mm?2，证明了其在检测3-MCPD方面的优异性能。通过与MIP技术的结合，提高了传感器的选择性，为食品污染物监测提供了新的方法。此外，将计算预测与实验验证相结合，为设计选择性和灵敏度高的检测平台提供了可靠策略。该传感器已成功应用于烹饪油基质中3-MCPD的检测，证明了其在受控实验室条件下的适用性。
引言
3-氯丙烷-1,2-二醇（3-MCPD）是一种常见的食品加工污染物，通常由脂质和氯离子在高温条件下反应生成[[1], [2], [3]]。由于其具有肾毒性、基因毒性及潜在的致癌性，3-MCPD在食品中的存在对健康构成严重威胁，因此需要国际机构（如欧洲食品安全局（EFSA）[[[4], [5], [6], [7], [8]]）的严格监管。因此，开发快速、灵敏且选择性的3-MCPD检测方法对于确保食品安全至关重要。传统的分析方法（如气相色谱-质谱法（GC–MS）[[9], [10], [11]]和液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）[12,13]）虽然具有较高的灵敏度和准确性，但需要繁琐的样品制备过程，不适用于快速或现场检测[14]。为克服这些限制，电化学传感器作为一种有前景的分析方法出现，具有操作简便、便携性强和成本效益高等优势[14]。
已开发出多种电化学传感器用于检测3-MCPD，并能在各种食品和油基质中实现高灵敏度应用。然而，在复杂基质中提高其选择性仍是一个关键挑战[15]。电化学发光（ECL）通过结合电化学过程和发光信号生成，成为一种强大的传感技术，因其具有高灵敏度、低背景信号以及出色的时空控制能力[[16], [17], [18], [19], [20], [21]]。在ECL体系中，发光团负责光子的发射。最常用的发光团之一是三(2,2'-联吡啶)钌(II) ([Ru(bpy)?]2?)，它具有强烈的发光性、优异的化学稳定性和明确的电化学性质[22]。三乙胺（TEA）是[Ru(bpy)?]2?的常用共反应物，能快速将[Ru(bpy)?]2?活性物种激发到激发态，从而显著增强ECL信号[16,23,24]。在中性条件下，TEA作为共反应物比三丙胺（TPA）表现更优。Kanou等人的研究[25]表明，基于三烷基胺的ECL效率很大程度上取决于胺基自由基的氧化和脱质子化速率。TEA较短的烷基链促进了更快的氧化和脱质子化，从而更有效地生成激发[Ru(bpy)?]2?的自由基。尽管在中性pH下自由基生成较少，但由于空间位阻较小和电子转移动力学较高，TEA仍能提供比TPA更强且更稳定的ECL信号。Kong等人的研究[24]进一步证实，TEA产生的ECL响应比其他胺类共反应物更强烈和稳定。基于ECL的系统特别适合检测复杂基质中的分析物，因为这些分析物需要良好的光学透明度和低检测限。ECL响应受分析物与发光团相互作用的影响，这种相互作用会增强或抑制信号[[26], [27], [28]]。尽管ECL在生物分析传感中应用广泛，但此前尚未有研究将其用于检测3-MCPD，因此本文提出的方法具有创新性。
通过引入分子印迹聚合物（MIPs）[15,29,30]，可以在聚合物基质中形成特定于模板的空腔，模拟生物系统的识别机制，从而提高ECL传感器的选择性[14]。基于MIP的电化学系统为实现复杂食品基质中3-MCPD的高选择性提供了有前景的分析方法，并符合向微型化、便携式分析设备发展的趋势[31]。此外，将MIP集成到丝印碳电极（SPCE）上，在复杂样品中选择性检测小分子（如3-MCPD）方面显示出巨大潜力[15,30]。导电聚合物（如聚苯胺（PANI）因其易于合成、导电性和环境稳定性[32], [33], [34]，常用于MIP制备。最近在基于聚合物的传感材料方面的进展进一步支持了将导电聚合物整合到分子识别结构中的重要性[35]。在先前的研究中，p-ATP[14]、聚吡咯（PPy）[36]和多巴胺-聚乙烯亚胺（PDA-PEI）[37]已成功用于3-MCPD检测。在本研究中，选择聚苯胺（PANI）作为主要聚合物模板，因为它具有多种内在优势，特别适合分子印迹和传感应用。PANI易于电沉积、环境稳定性高且毒性低[38]，可在丝印电极上形成可重复的薄膜。其pH依赖的氧化还原行为提供了固有的信号放大效果，而其质子化-脱质子化能力增强了了对离子载体的敏感性，并促进了快速电荷转移。此外，PANI具有优异的生物相容性，能与导电基底（如碳[39]和掺硼金刚石（BDD）[28,34]良好结合。其可调的分子结构使得能够形成纳米结构薄膜，从而提高与分析物、生物分子和酶的相互作用。这些综合特性使PANI成为比p-ATP和PPy更通用和高效的3-MCPD检测平台。此外，对导电聚合物基生物传感材料的分析表明，PANI及其复合结构可通过聚合物骨架和掺杂剂或共材料的协同效应显著提升传感器性能[35]。
基于MIP的3-MCPD化学传感器技术促进了电化学和光学检测平台的快速发展，强调了选择性、低成本和现场可部署传感策略的必要性[31]。最近在3-MCPD检测方面的进展表明，纳米材料辅助的MIP平台（如基于AuNP的系统）可实现超低检测限[40]。MIP与电化学方法的结合已得到广泛报道。一种使用电化学阻抗谱（EIS）的MIP修饰AuNPs/GPE传感器在烹饪油中成功检测到3-MCPD，检测限为0.12–1.11 ppm[14]。基于差分脉冲伏安法（DPV）的p-ATP/MIP修饰AuNP/GCE传感器在大豆酱样品中的检测限达到4.2 × 10?13 ppm[41]。另一种MIP修饰的NPG/GCE传感器结合EIS和DPV方法，在4 × 10?12 ppm的范围内实现了可靠检测[30]。其他传感器（如Pt@PB/EM-GP和MIP(oPPv)-GO/PGE）也表现出优异的灵敏度，检测限分别为0.0005 ppm和0.0002 ppm[36,42]。此外，基于荧光的方法也实现了0.025 ppm的检测限[43]。综上所述，MIP技术特别适合选择性检测非导电分析物，尤其是3-MCPD。然而，将MIP与电化学发光（ECL）技术结合用于3-MCPD检测的研究仍较少。
本研究报道了一种新型的ECL传感器，该传感器在SPCE上涂覆了PANI-MIP薄膜，对3-MCPD具有高选择性。本研究采用结构简单的PANI基MIP架构，旨在平衡灵敏度、制备简便性和成本效益。MIP-PANI/SPCE的制备采用了循环伏安法，以3-MCPD作为模板分子进行聚合。该ECL传感器的选择性主要归功于基于PANI的MIP系统，它为模板（3-MCPD）和聚合物基质（PANI）提供了功能团相互作用和三维兼容性。3-MCPD在[Ru(bpy)?]2?/TEA的ECL体系中起到信号抑制作用。开发的ECL传感器表现出优异的分析性能，检测限低（21.68 nM），重复性和再现性良好（RSD < 5%）。此外，还评估了其对甘油和缩水甘油干扰的抵抗力。通过计算建模（使用ORCA量子化学软件包[48]进行密度泛函理论（DFT）[44], [45], [46], [47]计算）来模拟3-MCPD与聚苯胺寡聚物之间的相互作用，以优化分子识别性能。这些计算结果为MIP基质内的识别环境提供了新的、更真实的表征。这些计算见解指导了基于聚苯胺的聚合物中选择性印迹腔的设计。研究结果证实了将计算引导的分子印迹与ECL检测相结合的有效性。这种创新的3-MCPD检测策略显示出作为快速筛查和可行性工具的潜力。
化学品
3-氯丙烷-1,2-二醇（3-MCPD）标准品、苯胺（95%）、三(2,2'-联吡啶)钌(II)六水合物（[Ru(bpy)?]?Cl?·6H?O）、三乙胺、铁氰化钾（K?Fe(CN)?）、磷酸二氢钾（KH?PO?，纯度99%）、磷酸二氢钾（K?HPO?，纯度99%）、硫酸（H?SO?）、甘油、缩水甘油棕榈酸酯、醋酸和甲醇（CH?OH）均购自Merck（德国）。超纯水（18.2 MΩ·cm）由Milli-Q纯化系统（Millipore）提供。
MIP-PANI/SPCE的制备及其电化学行为
如图1(a)所示，采用循环伏安法研究了苯胺在SPCE表面的电化学聚合过程。
伏安图显示了PANI的特征氧化还原峰，反映了白绿素（完全还原态）、绿素（半氧化态）和黑绿素（完全氧化态）之间的转化。氧化还原峰α/α'（0.2 V/0.05 V）、β/β'（0.6 V/0.4 V）和γ/γ'（1.0 V/0.85 V）的逐渐出现表明了相应物质的形成和沉积
结论
通过计算化学研究了聚苯胺（PANI）与3-氯丙烷-1,2-二醇（3-MCPD）之间的分子相互作用。结果表明，PANI与3-MCPD之间的亲和力较强，支持了传感器设计的选择性。此外，基于[Ru(bpy)?]2?/TEA体系的ECL传感平台在优化实验条件下（溶液pH为7）实现了对3-MCPD的灵敏检测
作者贡献
本文由所有作者共同撰写。所有作者均同意最终稿件的内容。
CRediT作者贡献声明
Eni Sutanti：撰写 – 原稿撰写、实验研究、数据整理。
Muhammad Abdulkadir Martoprawiro：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、软件开发、概念设计。
Harmesa Harmesa：撰写 – 审稿与编辑、验证、实验研究。
Afiten Rahmin Sanjaya：验证、实验研究、概念设计。
Isnaini Rahmawati：撰写 – 审稿与编辑、验证、实验研究。
Yasuaki Einaga：撰写 – 审稿与编辑、验证、概念设计。
Tribidasari：
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢印度尼西亚大学及资金与研究生态系统部门通过Hibah PUTI Q1 2024项目（合同编号：NKB-410/UN2.RST/HKP.05.00/2024）对本研究的资助。
