手性碳点工程化铕-MOF平台：机器学习解码实现法匹拉韦的开启式比率传感与膜基视觉筛查

《Dyes and Pigments》：Chiral Carbon Dot-Engineered Eu-MOF Platform for Turn-On Ratiometric Sensing and Membrane-Based Visual Screening of Favipiravir with Machine Learning Decoding

　　

• 1.
  手性碳点-铕金属有机框架杂化材料实现了对法匹拉韦的选择性开启型比率荧光检测。
• 2.
  D-/L探针产生手性依赖的差异响应，实现交叉验证。
• 3.
  膜在紫外光下呈现肉眼可见的蓝-红转变，用于便携检测。
• 4.
  基于六通道RGB输入的反向传播神经网络实现了浓度自动分级。
• 5.
  人血清回收试验验证了实际治疗药物监测的可行性。

引言

法匹拉韦（6-氟-3-羟基-吡嗪-2-甲酰胺）是一种广谱抗病毒药物，临床上用于流感和COVID-19的治疗，其血浆浓度与治疗疗效和临床安全性密切相关1, 2。常规分析技术如高效液相色谱（HPLC）和质谱（MS）虽然准确，但繁琐费力、耗时长且依赖精密仪器，严重限制了其在快速现场筛查和即时检测（POCT）中的应用[3]。这一应用瓶颈已被定量记录：HPLC的操作能耗约为1.5 kWh，而荧光分光光度法低于0.1 kWh[4]，基于HPLC和LC-MS/MS的法匹拉韦检测已被报道需要昂贵的仪器、危险溶剂和繁琐的样品前处理[5]。

荧光传感技术凭借操作简便、灵敏度高和实时响应能力成为一种有前景的替代方案[6]。然而，传统单发射荧光探针依赖于强度型读数，对环境波动较为敏感，包括激发光源不稳定、检测器灵敏度变化和基质背景干扰[7]。为了克服这些局限，比率荧光传感采用双波长监测并内置自校准机制，显著提高了检测的可靠性和精密度[8]。此外，荧光传感可分为"关闭"（猝灭）模式和"开启"（增强）模式。在关闭型体系中，非特异性猝灭剂可能产生假阳性信号。相比之下，开启型传感器仅在识别靶标时产生增强信号，在复杂生物基质中具有更优的信噪比和更强的抗干扰能力。

金属有机框架（MOFs）是具有可调结构和比表面积高的晶体多孔材料，已被广泛用作荧光传感器的骨架，而合成后修饰允许在框架构建后安装识别单元和发光中心[9]。其中，镧系金属有机框架（Ln MOFs）展现出尖锐的发射带、大的Stokes位移和长寿命[10]，这主要归功于天线效应，使有机配体能够捕获激发能并将其传递给Eu³⁺或Tb³⁺离子，从而产生窄带发射11, 12。与易光漂白或聚集的有机染料、可能含有毒性重金属的量子点以及需要高功率密度的上转换纳米粒子不同，MOFs兼具结晶性、多孔性和可修饰的化学性质。它们可以预富集分析物并定位识别和发光中心，使Eu³⁺通道进行报告，而第二个发光通道作为参考。

碳点（CDs）在此背景下与MOFs相互补充。CDs通常具有水分散性和生物相容性，表面富含羧基、酰胺和羟基，并表现出强烈的蓝色发射和可调的表面化学性质。掺杂镧系离子的CDs已被进一步开发为荧光纳米探针，将CDs的可加工性与镧系相关的光学特性相结合[13]。因此，将CDs与Ln-MOFs偶联解决了关键的材料缺口，因为CDs的蓝色通道报告表面识别事件，而Eu³⁺的红色通道提供窄带参考或报告信号。相关的MIP/MOF比率体系已表明，将分子识别与多孔MOF骨架相结合可以增强选择性和自校准荧光读数[14]。

手性MOF和手性荧光杂化材料已通过阳离子诱导手性、有序大孔手性薄膜、手性配体安装和气-固反应开发用于对映选择性识别15, 16, 17, 18。这些研究表明，手性可以调控多孔框架中的主客体相互作用和光学读数19, 20。由氨基酸等手性前驱体合成的手性碳点（CCDs）表现出优异的溶解性、可调的光致发光和生物相容性21, 22。将CCDs与MOFs集成可赋予杂化材料手性识别和双发射比率响应[23]。Yan及其同事开发了Eu³⁺/C-dots@MIL-53比率探针用于生物标志物检测[24]和Eu@MOF-His材料用于色氨酸对映体识别[25]。在上述先例的基础上，本研究并不声称对非手性药物法匹拉韦进行分子对映识别，而是使用D-/L-CD锚定构型作为阵列通道，生成冗余的比率特征用于稳健分类。

尽管取得了这些进展，在复杂基质中区分结构相似的分析物仍然具有挑战性。传感器阵列产生交叉反应的光学指纹，由机器学习进行解码[26]。对于法匹拉韦，将溶液相识别转化为带有机器学习辅助读数的便携固态格式仍基本未被探索。Kayani优雅地展示了一种智能手机集成的比率荧光探针，用于环境水中Hg²⁺的视觉检测，并进行了绿色度评估[27]，证明了便携比率读数的可行性，但环境光、设备依赖的相机响应和操作者差异仍需固定照明、参考色卡和操作者间重现性测试。

本文报道了一个手性碳点工程化的Eu-MOF平台，用于法匹拉韦的开启型比率荧光检测（图1）。将四种由D-/L-半胱氨酸和D-/L-谷胱甘肽衍生的手性碳点通过合成后修饰引入Eu-BTB中，构建了四探针传感器阵列。该阵列在测试的药物中表现出对法匹拉韦的选择性开启响应。通过荧光增强和红-蓝比值实现比率读数。D-和L-探针的差异响应提供冗余特征用于交叉验证。将复合材料集成到琼脂水凝胶和PVDF膜中用于肉眼筛查。在六维RGB值上训练的反向传播神经网络被评估作为离散浓度分级分类的概念验证。该平台连接了溶液相识别与便携固态视觉检测和基于相机的RGB解码。

章节摘要

材料与方法

所有化学试剂均直接使用。Eu(NO₃)₃·6H₂O、1,3,5-苯三甲酸（H₃BTB）、柠檬酸、乙二胺、L-/D-半胱氨酸、L-/D-谷胱甘肽、琼脂和PVDF从供应商处购得并直接使用。法匹拉韦和12种其他药物分析物（见表S1）按指示获得。全程使用去离子水（18.2 MΩ·cm）。详细仪器参数见S1节。

EuBTB的合成

EuBTB采用报道的溶剂热法合成[28]。

结构表征与形貌分析

首先通过粉末X射线衍射（PXRD）研究合成材料的结构完整性和相纯度。如图1a所示，EuBTB、EuBTB@CD-cys(D)、EuBTB@CD-cys(L)、EuBTB@CD-glu(D)和EuBTB@CD-glu(L)的实验PXRD图谱与模拟图谱吻合良好，证实手性碳点修饰保留了母体EuBTB的晶体框架而未引入杂质相[30]。手性物种成功接枝到

结论与展望

本研究证明，使用手性碳点对EuBTB进行合成后修饰可提供一种开启型比率传感平台，用于法匹拉韦的选择性检测。杂化探针在测试的药物中表现出对法匹拉韦的高度选择性荧光增强，D-和L-构型的差异响应提供冗余光学特征，增强了稳健性和交叉验证能力。机理研究与静态增强模型一致

CRediT作者贡献声明

ChenXi Xie：形式分析。Bin Ding：写作——审阅与编辑。LvLou Ye：数据整理

未引用参考文献

68.; 69..

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的与本文所报告工作相关的财务利益或个人关系方面的竞争利益。

致谢

本工作由天津市自然科学基金资助（项目编号：18JCYBJC89700）。

LvLou Ye|ChenXi Xie|Bin Ding