从分子几何构型到传感器性能：侧链构型对双酚A检测的影响

《Microchemical Journal》：From molecular geometry to sensor performance: Side-chain configuration effects on bisphenol a detection

　　• 侧链构型对双酚 A（BPA）传感性能的影响。• 具有己基苯基侧链的 C6Ph：更强的 BPA 吸附能力和优越的检测性能。• 侧链工程：调节生物传感器性能的有效策略。## 引言双酚 A（BPA）作为一种重要的工业原料，广泛用于合成聚碳酸酯塑料和环氧树脂等聚合物材料 [1], [2], [3], [4]。全球 BPA 年产量超过数百万吨，并以快速步伐持续增长。作为一种典型的内分泌干扰物，BPA 可以模拟或阻断人体内天然雌激素的正常功能，即使在极低剂量下也可能对生殖、神经内分泌和免疫系统造成损害 [5], [6], [7], [8]。食品接触和处理可能会引入或浓缩污染物；例如，BPA 常见于食品包装材料、饮用水瓶等日常用品中 [9]。因此，人类不可避免地通过饮食摄入、吸入和皮肤接触暴露于 BPA [10], [11], [12]。2024 年 12 月 31 日，欧盟委员会正式发布了第 2024/3190 号法规，完全禁止在食品接触材料中使用 BPA，并将 BPA 的每日耐受摄入量（TDI）大幅降低至 0.2 纳克/千克/天 [13]。因此，建立一种快速、灵敏、选择性高且低成本的 BPA 检测方法，对于环境监测、食品安全评估和公共卫生保护具有重大的实际意义。目前，可以使用常规方法检测 BPA，如高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱法（GC）和液相色谱 - 质谱联用法（LC-MS） [14], [15], [16], [17]。这些方法具有高的灵敏度和良好的准确性；例如，Vellaisamy 等人使用 LC-ESI-MS/MS 测定塑料瓶装水中的 BPA，检测限为 0.16 纳摩尔。然而，它们通常需要昂贵的仪器、复杂的样品预处理步骤和专业操作人员，且耗时较长；因此，无法满足快速现场检测的需求 [18]。相比之下，电化学传感器因其制备简单、响应迅速、能耗低、可重复使用且适合现场检测，已成为 BPA 检测的重要工具。其中，基于酪氨酸酶（Tyr）的电化学酶传感器可以催化 BPA 氧化生成邻醌类化合物，在电极表面产生可检测的电化学信号，从而为高效检测 BPA 提供理想平台 [19], [20], [21]。由于 Tyr 是一种不导电的生物大分子，其固定在电极表面会阻碍电子转移；因此，在保持酶活性的同时提高电导率和灵敏度仍然是一个关键挑战。纳米结构材料的发展为解决这些挑战提供了有效的解决方案。近年来，石墨烯、金属有机框架（MOFs）、MXene [22]、共价有机框架（COFs）和氢键有机框架（HOFs）等纳米材料已被广泛用于电极修饰。由于其大的比表面积、优异的导电性和良好的生物相容性，这些材料显著提高了传感器灵敏度，降低了检测限，并增强了稳定性 [23], [24], [25], [26]。例如，Arul 等人将氨基酸功能化石墨烯纳米片与 Ni-MOF 结合，构建了一种检测限低至 0.184 纳摩尔的 BPA 电化学传感器 [27]；Dey 等人制备了一种双金属镍 - 铜 MOF 锚定的纳米纤维复合材料，并在水及饮用水中实现了 BPA 的高灵敏度检测 [28]。这些研究表明，合理设计和合成纳米复合材料是提高电化学传感器性能的关键策略。此外，有机材料也用于传感器制造。它们的分子结构可设计且易于功能化，通过共轭主链扭转或立体化学构型，能够增强对 BPA 等分析物的富集和识别 [29]。我们课题组之前曾就“调节有机材料构型以提高 BPA 检测性能”开展了一系列研究。这些研究表明，共轭聚合物主链的扭转有利于 BPA 富集，并能显著增强传感器性能 [19], [30]。随后，这一概念被扩展到有机小分子材料中，系统地比较了三种类型的立体化学核心，即四面体（Te）、三角锥形（Tr）和近平面（Pl），证实了更三维化的分子核心构型会导致 BPA 检测性能的提高 [31]。综上所述，这些发现表明，有机材料更非平面的三维构型更有利于通过分子间相互作用富集底物，从而提高传感器性能。在此基础上，本研究调查了两种有机小分子对传感器性能的影响：IDIC-C6Ph（简称 C6Ph，具有己基苯基侧链，其中苯环位于末端位置）和 IDIC-PhC6（简称 PhC6，具有苯基己基侧链，其中己基位于末端位置，苯环邻近主链）。两种分子均基于相同的主链。通过脂质体纳米沉淀法制备有机分子（OMNPs）的水溶性纳米粒子，并分别由 C6Ph 和 PhC6 纳米粒子构建了两种酪氨酸酶传感器 C6Ph-Tyr-Chi/GCE 和 PhC6-Tyr-Chi/GCE（图 1）。结果表明，基于 C6Ph 的传感器表现出最佳性能：它在 0.01–0.1 微摩尔和 0.1–3.0 微摩尔两个浓度范围内呈线性响应，在低浓度范围（0.01–0.1 微摩尔）下的检测限低至 8.18 纳摩尔，灵敏度为 1.522 微安/（微摩尔·平方厘米），在高浓度范围（0.1–3.0 微摩尔）下的灵敏度为 0.311 微安/（微摩尔·平方厘米）。基于 PhC6 的传感器性能较差，检测限为 0.0478 微摩尔。## 章节摘要### 试剂二甲基亚砜（DMSO）、INCN 和吡啶购自赛默飞世尔科技公司（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）。硫酸钠和甲醇购自国药集团化学试剂有限公司；双酚 A 和叔丁醇钾购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；DSPE-mPEG2000 购自 AVT（上海）医药科技有限公司（均位于中国上海）。酪氨酸酶（Tyr，从蘑菇中提取，酶活性≥1000 单位/毫克）和壳聚糖（Chi，源自### 材料与纳米粒子的合成与表征IDIC-C6Ph 通过三个连续反应合成（图 S1）：首先，在二甲基亚砜（DMSO）和叔丁醇钾（tBuOK）存在下，在 80–90 摄氏度下用 1-溴 -6-苯基己烷烷基化 IDT 得到中间体 IDTC6Ph；然后通过甲酰化反应将其转化为醛中间体 IDTC6Ph-CHO，最后与 2-(3-氧代 -2,3-二氢 -1H-萘 -1-亚基) 丙二腈缩合得到最终产物 C6Ph。其化学结构通过核磁共振波谱确认### 结论在本工作中，研究了具有相同主链但不同侧链构型的两种有机材料——C6Ph（己基苯基侧链，苯环位于末端位置）和 PhC6（苯基己基侧链，己基位于末端位置，苯环邻近主链）对传感器性能的影响。通过脂质体纳米沉淀法制备了对应的有机纳米粒子（OMNPs），并构建了两种基于酪氨酸酶的电化学传感器 C6Ph-Tyr-Chi/GCE 和### CRediT 作者贡献声明**李鑫学：** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草案，项目管理，方法论，形式化分析，概念化。**王磊：** 写作 – 审阅与编辑，方法论，形式化分析。**苗亚伟：** 写作 – 审阅与编辑，资源，方法论，资金获取，概念化。**孙竹竹：** 写作 – 审阅与编辑，资金获取，形式化分析。**吴凌霞：** 写作 – 审阅与编辑，资源，方法论，资金获取，概念化。**田勇**### 利益冲突声明作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本工作得到了山东省自然科学基金（ZR2023MB145, ZR2025QC54, ZR2022QB135）、青岛市自然科学基金（23-2-1-242-zyyd-jch）、国家自然科学基金委员会（22306105）、山东省泰山学者计划（NO. tsqn202306233）和山东省自然科学基金（NO. ZR2024JQ017）的资助。李鑫学|王磊|苗亚伟|孙竹竹|吴凌霞|田勇|马继平|谷传涛|鲍西昌