Water-induced supramolecular self-assembly of porphyrin integrated with multivalent metal–organic framework for enhanced electrochemiluminescence and ultrasensitive aptasensing of 4-fluoromethamphetamine

Technische Zusammenfassung: Wasserinduzierte supramolekulare Selbstassemblierung von Porphyrin-integrierten MOFs zur verbesserten ECL und ultrasensitiven Aptasensorik

Problemstellung
Die Anwendung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAHs), wie beispielsweise Porphyrinen, als elektrochemolumineszierende (ECL) Luminophore wird durch zwei inhärente Einschränkungen stark begrenzt: die schlechte Wasserlöslichkeit und der Effekt der Aggregationsverursachten Löschung (Aggregation-Caused Quenching, ACQ). Traditionelle Methoden zur Abschmächung von ACQ, wie die Immobilisierung von PAHs innerhalb von metall-organischen Gerüstverbindungen (MOFs) mittels Koordinationsverankerung, beruhen oft auf der solvothermalen Synthese. Diese konventionellen Ansätze erfordern lange Reaktionszeiten, komplexe Verfahren, teure organische Lösungsmittel sowie harte Hochtemperatur-/Hochdruckbedingungen, was eine kostengünstige, großtechnische Herstellung und den Einsatz im Feld erschwert. Darüber hinaus basiert die Detektion von 4-Fluoromethamphetamin (4-FMA), einer potenten neuen psychoaktiven Substanz (NPS), derzeit auf Hochleistungsflüssigkeitschromatographie gekoppelt mit Tandem-Massenspektrometrie (HPLC-MS/MS). Obwohl diese gängige Methode hochsensitiv ist, ist sie umständlich, teuer und von großskaligen Instrumentierungen abhängig, was sie für das schnelle Vor-Ort-Screening in der Basis-Drogenkontrolle und forensischen Toxikologie ungeeignet macht.

Methodik
Um diese Herausforderungen zu adressieren, schlagen die Autoren eine grüne, wasserinduzierte supramolekulare Selbstassemblierungsstrategie vor, kombiniert mit einem multifunktionalen Signalverstärkerträger.

1. Synthese des Luminophors (TCPP NPs): Es wurde eine einfache Repräzipitationsroute unter Verwendung von Tetrahydrofuran (THF) und Wasser angewandt. Meso-Tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrin (TCPP) wurde in THF dispergiert und unter Beschallung schnell in Wasser gegossen. Dieser Prozess induzierte die spontane Selbstassemblierung von TCPP zu geordneten supramolekularen Aggregaten (TCPP NPs), getrieben durch nichtkovalente Wechselwirkungen. Diese Strategie unterdrückte effektiv die $\pi$–$\pi$-Stapelung und den ACQ-Effekt, was zu nanosheet-ähnlichen Morphologien führte.
2. Synthese des Verstärkers (MMS): Ein eisenbasiertes MOF, gestützt auf Molybdändisulfid (MIL-101@MoS$_2$, bezeichnet als MMS), wurde mittels einer hydrothermalen Methode synthetisiert. Diese Kompositstruktur weist eine blütenähnliche Struktur auf, die aus MIL-101(Fe) und MoS$_2$-Arrays besteht.
3. Herstellung des Komposits (MMST): Die MMST-Nanopartikel wurden durch Mischen der MMS-Aqueous-Lösung mit der TCPP-Lösung unter anschließender Gefriertrocknung hergestellt. Die MMS-Partikel wurden gleichmäßig auf den supramolekularen TCPP-Sheets verankert.
4. Sensor-Konstruktion: Eine Glanzkohlenstoffelektrode (GCE) wurde mit dem MMST-Komposit modifiziert, gefolgt von der Immobilisierung eines DNA-Cyanin-Farbstoff (Cy7)-Aptamers, das spezifisch für 4-FMA ist. Der Sensor-Mechanismus beruht auf einer target-getriggerten Verdrängung: In Gegenwart von 4-FMA bindet das Target kompetitiv an das Aptamer, verdrängt den Cy7-Farbstoff und verändert das ECL-Signal.
5. Detektionsbedingungen: Das System nutzt K$_2$S$_2$O$_8$ als Co-Reaktant. Die ECL-Messungen wurden bei einem niedrigen Trigger-Potential von −1,0 V in einer Phosphat gepufferten Salzlösung (PBS) durchgeführt.

Zentrale Beiträge und Mechanismen

• Unterdrückung von ACQ: Die wasserinduzierte Selbstassemblierung transformierte TCPP von unregelmäßigen Bulk-Strukturen in geordnete Nanosheets. Charakterisierungen (Raman, UV-Vis und Fluoreszenzlebensdauer-Messungen) bestätigten eine Reduktion der $\pi$–$\pi$-Stapelung und eine verlängerte angeregte Zustandslebensdauer (11,60 ns für TCPP NPs gegenüber 10,60 ns für monomerisches TCPP), was den ACQ-Effekt effektiv milderte und die Lumineszenzeffizienz steigerte.
• Multivalenter Redoxzyklus: Der MIL-101(Fe)@MoS$_2$-Träger fungiert als multifunktionaler Verstärker. Die reversible Valenzumwandlung von Fe$^{2+}$/Fe$^{3+}$ und Mo$^{4+}$/Mo$^{6+}$ hält einen kontinuierlichen Redoxzyklus aufrecht. Dies beschleunigt die Zersetzung des Co-Reaktanten (S$_2$O$_8^{2-}$) und fördert die Erzeugung reaktiver Spezies (SO$_4^{\bullet-}$), was die ECL-Intensität signifikant steigert.
• Aktivierung von Sauerstofffehlstellen: Das Komposit besitzt reichlich vorhandene Sauerstofffehlstellen (bestätigt durch XPS und EPR), die als aktive Zentren dienen, um gelöstes O$_2$ zu adsorbieren und zu aktivieren, was den Elektronentransfer und die Co-Reaktant-Aktivierung weiter verstärkt.
• Niedrigspannungs-Betrieb: Die synergistischen Effekte der supramolekularen Assemblierung und des multivalenten MOF-Trägers senkten das ECL-Trigger-Potential auf −1,0 V, was eine energieeffiziente Detektion ermöglicht.

Ergebnisse

• Leistungskennzahlen: Der konstruierte Aptasensor erreichte eine ultraniedrige Nachweisgrenze (LOD) von 1,87 × 10$^{-15}$ g/L (S/N = 3) mit einem breiten linearen Bereich von 1,0 × 10$^{-14}$ bis 1,0 × 10$^{-6}$ g/L.
• Selektivität und Stabilität: Der Sensor zeigte eine hohe Spezifität für 4-FMA und wies selbst bei 10.000-fach höheren Konzentrationen anderer NPS-Analoga (z. B. Furanylfentanyl, Flualprazolam) vernachlässigbare Interferenzen auf. Das System zeigte eine exzellente Stabilität (RSD < 5,0 % über 10 Zyklen) sowie eine Lagerstabilität über 15 Tage.
• Analyse von Realproben: Die Methode wurde anhand von e-Zigaretten-Proben validiert. Standardadditions-Experimente ergaben Wiederfindungsraten zwischen 95,0 % und 104,0 % mit RSDs von weniger als 5,0 %, was die Robustheit des Sensors in komplexen, viskosen Matrizen, die Propylenglykol, Glycerin, Nikotin und Aromastoffe enthalten, bestätigt.

Bedeutung
Diese Arbeit präsentiert einen grünen und einfachen Weg zur Entwicklung hochleistungsfähiger PAH-basierter ECL-Luminophore durch Überwindung des intrinsischen ACQ-Defekts mittels wasserinduzierter supramolekularer Selbstassemblierung. Durch die Integration dieser Luminophore mit einem multivalenten MOF-Träger etabliert die Studie ein zuverlässiges, Label-freies analytisches Werkzeug für das schnelle Screening aufkommender psychoaktiver Kontaminanten. Die vorgeschlagene Methode bietet deutliche Vorteile in Bezug auf Effizienz, Portabilität und Kosteneffizienz im Vergleich zur traditionellen Massenspektrometrie und besitzt ein erhebliches Potenzial für Anwendungen in der Drogenkontrolle, der öffentlichen Sicherheitsüberwachung, der forensischen Toxikologie und der Lebensmittelsicherheitsdetektion.