一种用于高级仑伐替尼检测的3D MoB MBene集成分子印迹聚合物传感器

《Electrochimica Acta》：A 3D MoB MBene-Integrated Molecularly Imprinted Polymer Sensor for Advanced Lenvatinib Detection

　　

摘要

本文报道了一种基于分子印迹聚合物（MIP）的电化学平台，用于超灵敏、高选择性地测量仑伐替尼（LEN）。该MIP由甲基丙烯酸（MAA）、四乙氧基硅烷（TEOS）和三维（3D）MoB MBene组成。为克服二维（2D）MBene层间的重堆叠问题并增大电化学表面积，研究人员将2D MBene加工制备成纳米级3D MoB MBene结构，并将其纳入MIP网络中。该MIP通过热聚合方法制备于玻碳电极（GCE）表面。利用XRD、SEM、EDS和XPS对MoB MBene的形貌、结构和化学组成进行了表征，确认了2D和3D MoB MBene结构的成功合成。在优化条件下，基于MIP的传感器对LEN在1.75×10?13 – 1.75×10?12 M浓度范围内呈线性响应，标准溶液中的检出限为1.15×10?1? M，血清溶液中的检出限为2.07×10?1? M。该传感器对LEN具有良好的选择性，能够有效区分干扰物质和类似结构化合物，在药片和人体血清样品中的回收率为99.80–102.64%，相对标准偏差（RSD%）低于1.63。此外，通过分子动力学（MD）模拟研究了预聚合混合物中LEN与MAA之间的分子水平相互作用。径向分布函数（RDF）结果显示，LEN与MAA在2.29 ?距离处形成高亲和力氢键，支持选用MAA作为LEN印迹的合适功能单体。这些结果表明，所提出的基于MIP/MoB MBene的平台是测定药物和生物样品中LEN的一种超灵敏、高选择性的有前景策略。

引言

癌症发病率正以惊人的速度增长，导致全球每年有数百万人死亡[1,2]。因此，提供有效、高效且安全的抗癌药物仍然是医疗健康领域的一项重大挑战[3]。甲状腺癌在全球男女中均较为常见，且常与甲状腺细胞的基因突变有关[4]。甲状腺通过产生激素在调节各种生理功能方面发挥着至关重要的作用[5]。鉴定出激活特定激酶的致癌突变，使得酪氨酸激酶抑制剂（TKIs）成为甲状腺癌治疗的一种有前景的策略。通过阻断血管内皮生长因子受体（VEGFRs）抑制肿瘤血管生成，是最有效的治疗途径之一[[6], [7], [8], [9]]。

仑伐替尼甲磺酸盐（LEN）是一种用于治疗难治性甲状腺肿瘤及其他癌症（包括肝细胞癌和肾细胞癌）的新一代酪氨酸激酶抑制剂[[10], [11], [12], [13]]。尽管具有治疗疗效，但其不良反应如高血压、血小板减少、蛋白尿和肝性脑病可能需要减量或停药[[14], [15], [16]]。因此，监测LEN对于优化剂量、疗效和安全性至关重要。

仑伐替尼甲磺酸盐（LEN）是一种属于酪氨酸激酶抑制剂类别的新一代抗癌药物，用于治疗难治性甲状腺肿瘤。LEN在其他癌症中（如肝细胞癌、肾细胞癌和胸腺癌）的抗肿瘤效果也得到了证实。作为一种新兴的多激酶抑制剂，LEN抑制多种受体，从而减少血管生成、肿瘤生长和癌症进展[[10], [11], [12], [13]]。尽管具有很高的治疗疗效，但由于高血压、血小板减少、蛋白尿和肝性脑病等副作用，部分患者在治疗期间需要减量或提前停用LEN[[14], [15], [16]]。因此，从疗效和安全性两个方面来看，监测LEN具有重要意义。

迄今为止，各种液相色谱技术已被报道用于LEN的检测，包括高效液相色谱[[17], [18], [19], [20]]、超高效液相色谱[21]和液相色谱-串联质谱[[22], [23]], [24]]。然而，色谱方法成本高、操作复杂且耗时长，不适用于日常监测和高通量药物分析。另一方面，具有操作简便、成本低和响应速度快等特点的电化学传感器在生物样品（如人体血清）中的药物检测方面更受青睐。然而，用于LEN测定的电化学方法报道甚少，文献中仅发现一项近期研究采用基于Ti?C?T? MXene的分子印迹聚合物修饰碳电极进行LEN的电化学分析[25]。尽管该研究展示了分子印迹电化学平台用于LEN测定的潜力，但电化学研究的数量有限突出了进一步开发灵敏、选择性高且可靠的电化学分析方法的必要性。此外，裸电极往往存在灵敏度和选择性不足的问题。为弥补这一缺陷，最有效的方法是对裸电极表面进行修饰。

近年来，分子印迹技术作为一种有前景的电极修饰方法引起了研究人员的关注，显著提高了电化学传感器的灵敏度、选择性和分析性能[26,27]。分子印迹技术涉及在模板分子存在下共聚功能单体，然后将模板封装在聚合物网络中。随后从聚合物基体中去除模板分子，在聚合物中形成与模板在尺寸、形状和功能基团方面互补的特异性空腔。这些识别位点提供了模板与聚合物表面之间的选择性相互作用，从而提高了电化学传感器的灵敏度和特异性[28]。由于这些优势，基于MIP的电化学传感器作为药物化合物选择性灵敏检测的有前景的分析平台，受到了越来越多的关注[[29], [30], [31], [32], [33]]。在报道的MIP传感器开发方法中，表面印迹法是优选方法，因为它克服了本体聚合中识别空腔异质性、结合位点可及性差和相互作用动力学缓慢等缺陷[34,35]。然而，为进一步改善基于MIP的传感器的电分析性能，各种纳米材料已被引入聚合物网络中[36,37]。

二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物的发现，凭借其金属导电性、大比表面积、层状结构、丰富且可调节的表面官能团、快速电子转移动力学和高亲水性，为传感研究开辟了一条新途径[38,39]。-OH、-F和=O基的表面官能团的存在为各种（生物）分子提供了结合位点，从而增强了表面-分子/目标物的相互作用。文献中报道了结合MXene层的电化学传感器，其具有低检出限（LODs）、宽线性范围和高灵敏度[40]。然而，MXene的氧化稳定性对长期运行和实际应用构成了重大挑战[41,42]。被称为MBene的二维过渡金属硼化物是MXene的含硼类似物。与MXene类似，MBene也表现出金属导电性、亲水性、层状结构和高长径比[43]。MBene的一个有前景的特性是与MXene相比具有更高的氧化稳定性。另一方面，与其他二维材料一样，MBene也会因层间作用力较弱而发生层间重堆叠，这通过减小比表面积和阻碍目标分析物到达活性位点而限制了其电化学活性。在此，我们合成了3D MoB MBene结构以规避层状MBene的重堆叠问题，并提供更多活性位点以增强电化学反应。

本研究旨在展示一种新型电化学印迹传感器，用于在药物和生物样品中超灵敏、高选择性地监测LEN。据我们所知，迄今为止仅报道了一种用于LEN测定的电化学传感器[25]。因此，本研究的创新不仅在于引入了一种新的基于MIP的电化学传感器用于LEN检测，还在于将MoB MBene纳米结构引入MIP网络中，因为将MBene应用于分析物电化学传感的报道很少。更重要的是，为了增加MoB MBene的比表面积和效率，我们提出从其2D片状对应物合成3D MoB MBene。为制备传感层，通过简便的热聚合方法在GCE表面制备了一层薄聚合物薄膜，该薄膜以MAA为功能单体、TEOS为共聚单体和硅酸盐网络前驱体、LEN为模板分子、3D MoB MBene为信号增强剂。为实现传感层的最佳电分析性能，对关键参数进行了优化，包括模板/单体比、电极表面负载的预聚合溶液量、聚合温度和时间、模板去除溶液的组成、去除时间和再结合时间。此外，为了更好地洞察LEN与功能单体之间的选择性相互作用，进行了分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算，具体描述见相关章节。此外，利用两种方法评估了为LEN检测设计的基于MIP的传感器的绿色性：分析绿度评估（AGREE）和分子印迹聚合物分析绿度评估（AGREE-MIP）。这些研究所得分数表明所提出的MIP传感器具有良好的环境可持续性。

在本研究中，计算建模（DFT和MD）被用于从后验角度解释印迹聚合物的实验成功。理论分析提供了实验选择的不可或缺的分子水平验证，阐明了仑伐替尼-MAA复合物中决定生物传感器宏观性能的精确非共价相互作用机制和热力学稳定性。此外，预聚合模拟体系在显式本体溶剂（600个水分子）中构建了仑伐替尼与MAA分子局部化学计量比为2:2的配置。该配置的选择旨在避免过度拥挤的周期边界伪影，同时隔离基本的初级结合事件。通过聚焦于小的相互作用团簇，模拟捕获了功能单体与溶剂之间不受阻碍的竞争动力学，清晰地描绘了有效空腔形成所需的初始分子识别步骤。

实验部分

化学品

LEN、仑伐替尼代谢物1（LEN-1）、仑伐替尼代谢物2（LEN-2）、卡博替尼（CAB）、帕唑帕尼（PAZ）、索拉非尼（SOR）、多柔比星（DOX）和奥希替尼（OSI）由DEVA Holding A.S.（土耳其，伊斯坦布尔）提供。MAA、TEOS、SDS、NH?、铁氰化钾（[K?Fe(CN)?]）、亚铁氰化钾（[K?Fe(CN)?]·3H?O）、氯化钾（KCl）、乙酸（HAc）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、多巴胺（DOP）、尿酸（UA，≥99.0%）、对乙酰氨基酚（PAR）、抗坏血酸（AA）、氯化镁（MgCl?）、

MIP传感器的检测策略

尽管LEN含有电化学活性官能团并在实验条件下发生电化学反应，但其直接电化学信号不够强、定义不够明确且重复性不够好。因此，采用基于[Fe(CN)?]3?/??氧化还原探针的间接电化学检测策略来测定LEN。在该策略中，电化学响应由[Fe(CN)?]3?/??的氧化和还原产生。

结论

在本研究中，开发了一种高灵敏度和高选择性的电化学印迹传感器，用于测定药物和人体血清样品中的LEN。3D MoB MBene纳米结构通过两步法合成，首先通过从MAB相（MoAlB）中去除Al层制备2D MoB片材。随后，在超声过程中将2D MoB片材粉碎并在冷冻干燥过程中重新组合。印迹传感器通过以下步骤制备：

作者贡献声明

Behjat Deiminiat：概念化、方法论、软件、撰写-原始草稿、验证、调查。Ensar Piskin：概念化、方法论、软件、撰写-原始草稿、验证、调查。Ahmet Cetinkaya：概念化、方法论、软件、撰写-原始草稿、验证、调查。Aytekin Uzunoglu：概念化、方法论、软件、撰写-原始草稿、验证、调查。M. Altay Unal：概念化、方法论、

作者贡献声明

Behjat Deiminiat：撰写-审稿与编辑、撰写-原始草稿、验证、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。Ensar Piskin：撰写-审稿与编辑、撰写-原始草稿、验证、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。Ahmet Cetinkaya：撰写-审稿与编辑、撰写-原始草稿、验证、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。Aytekin Uzunoglu：

Behjat Deiminiat | Ensar Piskin | Ahmet Cetinkaya | Aytekin Uzunoglu | M. Altay Unal | Esen Bellur-Atici | Sibel A. Ozkan