《Talanta》：A biomimetic imidazole-based hydrogen-bonded organic framework for photoelectrochemical sensing of nerve agent simulants
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•仿生咪唑功能化的氢键有机框架（HOF）用于选择性神经毒剂检测•协同的尺寸排他和超分子相互作用驱动识别•水解诱导的咪唑质子化缩小带隙以增强光电流•无需电解质的传感平台，检测限低至2.3 ppm引言化学战剂（CWAs）是极具毒性的物质，即使在和平时期，通过恐怖袭击或故意投毒也会对公
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仿生咪唑功能化的氢键有机框架（HOF）用于选择性神经毒剂检测
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协同的尺寸排他和超分子相互作用驱动识别
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水解诱导的咪唑质子化缩小带隙以增强光电流
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无需电解质的传感平台，检测限低至2.3 ppm
引言
化学战剂（CWAs）是极具毒性的物质，即使在和平时期，通过恐怖袭击或故意投毒也会对公共安全构成严重威胁[1]、[2]、[3]、[4]。其中，有机磷神经毒剂是致命性最强的，能够迅速引发严重的神经系统症状，如肌肉震颤和呼吸窘迫[5]、[6]、[7]、[8]。它们的毒性源于对乙酰胆碱酯酶的强烈抑制，导致乙酰胆碱积累、神经传递紊乱、全身中毒，以及可能致命的多器官衰竭[9]、[10]。鉴于其极高的毒性、快速作用和不可逆的影响，及时检测至关重要。因此，开发实时、快速且灵敏的检测方法来检测微量有机磷毒剂对于反恐、应急响应和公共安全保护至关重要[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。
传统的色谱和质谱方法能够可靠地测定有机磷神经毒剂和其他化学战剂[16]、[17]、[18]。然而，这些技术通常需要耗时的样品制备程序、笨重的仪器以及高度训练有素的人员，这严重限制了它们在实时、现场和便携式检测中的应用。近年来，功能性小分子荧光探针作为有机磷化学剂的光学检测替代品出现了。这些分子探针通常依赖于探针结构与分析物之间的特定有机反应——如环化、亲核取代或加成反应——来触发明显的荧光强度或比色变化。尽管这种基于化学反应的策略能够实现灵敏的检测，但许多小分子系统在区分神经毒剂与其他具有高度相似化学结构和反应性的干扰物或模拟物时存在特异性限制[19]、[20]、[21]、[22]。为了克服这些挑战，进一步提高检测性能，并实现快速的现场部署传感，下一代材料必须集成多维选择性框架和高效、直接的信号传递机制。
与传统的小分子传感系统相比，晶体多孔材料具有高度有序的三维多孔网络和异常高的比表面积。广阔的表面积显著增强了与目标分析物的主客体相互作用，而明确的孔环境为传输、识别和分子分离提供了原始的结构选择性[23]、[24]。在这方面，金属-有机框架（MOFs）[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]和共价有机框架（COFs）[31]、[32]已被广泛用于气体吸附、分离和不同的传感应用。然而，许多MOF结构本身导电性差，而COFs的合成和结晶过程往往具有挑战性，这可能严重阻碍它们在实际传感设备中的更广泛应用。为了规避这些限制，我们之前的研究发现了氢键有机框架（HOFs）作为下一代传感平台的三个独特协同优势。首先，HOFs表现出优异的溶液加工性，可通过简单的重结晶或后合成修饰协议高效制备功能性多孔薄膜或复合材料[33]。此外，它们结构可控的孔几何形状具有强大的“分子陷阱”效应，能够高度选择性地识别特定目标构型，同时排除结构干扰。关键的是，它们内在的光电转换能力允许将超分子框架内的化学状态变化直接且灵敏地转换为可测量的光电流信号。
值得注意的是，自然界中的某些脂肪酶为人工传感材料的设计提供了重要启发（图1a）[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。这些脂肪酶可以通过其精确设计的三维活性“口袋”内的多重氢键相互作用高效识别目标有机磷化合物。在其催化三联体中，最关键的组氨酸残基通过其咪唑环提供一个碱性位点，以固定有机磷底物，形成N–P键中间体，随后促进水解生成有机膦酸。天然酶复杂的分子识别和催化机制提出了一个重要问题，即是否可以在人工系统中复制这样的复杂活性中心。一个有前景的策略是使用咪唑基团作为关键的识别和反应位点，同时利用HOFs的有序孔结构创建类似酶口袋的封闭微环境[39]。然而，在合成系统中同时实现活性位点的模仿和高效信号传递仍是一个重大挑战。
基于这些优势以及从脂肪酶中获得的生物启发，我们提出了一种基于HOF的CWA检测的分子陷阱传感策略（图1b）。封闭的HOF孔通过尺寸排他和特异性识别的协同作用实现目标识别[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。捕获的目标物质随后迅速被吸附在孔环境中，其中主客体相互作用调节框架的光电性质，实现光触发的全导通/关断传感（图1c）[47]、[48]。基于这一概念，我们设计并合成了两种氰基咪唑功能化的氢键有机框架（Im-HOFs，命名为FDU-HOF-50和FDU-HOF-51），其中孔结构受到分子调控，活性咪唑N位点暴露在封闭的孔内。得益于这种分子陷阱效应，Im-HOF可以选择性地识别并吸附有机磷神经毒剂模拟物二甲基氯磷酸酯（DCP）。咪唑单元进一步与DCP发生水解诱导的质子化，生成咪唑鎓物种，从而增强电荷传输和光电转换，产生放大的光电流响应。与缺乏咪唑基团或含有受阻咪唑位点的HOF类似物相比，Im-HOF显示出对DCP的高度灵敏和选择性检测，检测限低至2.3 ppm。它能够准确区分DCP和六种干扰分析物，证明了集成孔限制、反应位点和光电流转换对于选择性CWA检测的有效性。这项工作成功构建了一种基于咪唑的HOF仿生材料，并为设计具有可访问活性位的酶模拟框架材料提供了新的范例。
部分摘录
Im-HOFs的合成和结构表征
基于四甲基咪唑的配体1,2,4,5-四[4-(4,5-二氰基-1H-咪唑-2-基)苯]苯是通过两步路线合成的，涉及Schiff碱缩合和随后的咪唑环化（图S1–S2）。目标配体的成功合成、高纯度和结构完整性通过1H和13C NMR光谱分析得到了明确确认，所有特征共振信号与预期的分子结构一致（图S3–S7）。
结论
总之，我们开发了一种基于氰基咪唑功能化氢键有机框架的仿生分子陷阱传感策略，用于直接光电化学检测有机磷神经毒剂模拟物DCP。可控的孔结构和暴露的咪唑N位点通过尺寸限制和特定的N···P相互作用实现选择性的DCP识别。在DCP暴露下，水解诱导的质子化在框架内生成咪唑鎓物种，这些物种
CRediT作者贡献声明
李鹏：撰写 – 审阅与编辑。马凯凯：撰写 – 审阅与编辑。白家权：撰写 – 审阅与编辑。高向宇：形式分析。莫光来：方法学。陈伟：方法学。刘家宝：软件。王晨：方法学。田航：撰写 – 原稿，调查
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
田航|王晨|刘家宝|陈伟|莫光来|高向宇|白家权|马凯凯|李鹏
