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

Resumen Técnico: Autoensamblaje Supramolecular de Porfirina Integrada en MOF Inducido por Agua para una ECL Mejorada y Aptasensado Ultrasensible

Planteamiento del Problema
La aplicación de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs), como las porfirinas, como luminóforos de electroquimioluminiscencia (ECL) está severamente restringida por dos limitaciones inherentes: la baja solubilidad acuosa y el efecto de extinción por agregación (ACQ). Los métodos tradicionales para mitigar el ACQ, como la inmovilización de PAHs dentro de marcos metal-orgánicos (MOFs) mediante anclaje de coordinación, dependen a menudo de la síntesis solvotérmica. Estos enfoques convencionales implican tiempos de reacción prolongados, procedimientos complejos, disolventes orgánicos costosos y condiciones severas de alta temperatura/presión, lo que dificulta la preparación de bajo costo y a gran escala, así como el despliegue en campo. Además, la detección de 4-fluorometanfetamina (4-FMA), una potente nueva sustancia psicoactiva (NPS), depende actualmente de la cromatografía de líquidos de alta resolución acoplada a espectrometría de masas en tándem (HPLC-MS/MS). Aunque es sensible, este método convencional es engorroso, costoso y dependiente de instrumentación a gran escala, lo que lo hace inadecuado para el cribado rápido y en el sitio en el control de drogas de base y toxicología forense.

Metodología
Para abordar estos desafíos, los autores proponen una estrategia de autoensamblaje supramolecular inducida por agua, verde y sencilla, combinada con un portador de amplificación de señal multifuncional.

1. Síntesis del Luminóforo (TCPP NPs): Se empleó una ruta de reprecipitación simple utilizando tetrahidrofurano (THF) y agua. La meso-tetrakis(4-carboxifenil)porfirina (TCPP) se dispersó en THF y se vertió rápidamente en agua bajo sonicación. Este proceso indujo el autoensamblaje espontáneo de la TCPP en agregados supramoleculares ordenados (TCPP NPs) impulsados por interacciones no covalentes. Esta estrategia suprimió eficazmente el apilamiento $\pi$–$\pi$ y el efecto ACQ, resultando en morfologías similares a nanohojas.
2. Síntesis del Amplificador (MMS): Un MOF basado en hierro soportado sobre disulfuro de molibdeno (MIL-101@MoS$_2$, referido como MMS) se sintetizó mediante un método hidrotérmico. Este compuesto presenta una estructura de tipo flor compuesta por MIL-101(Fe) y arreglos de MoS$_2$.
3. Fabricación del Compuesto (MMST): Las nanopartículas MMST se prepararon mezclando la solución acuosa de MMS con la solución de TCPP, seguido de liofilización. Las partículas de MMS se anclaron uniformemente sobre las hojas supramoleculares de TCPP.
4. Construcción del Sensor: Un electrodo de carbono vítreo (GCE) fue modificado con el compuesto MMST, seguido de la inmovilización de un aptámero de ADN-colorante de cianina (Cy7) específico para 4-FMA. El mecanismo de detección se basa en el desplazamiento provocado por el objetivo: en presencia de 4-FMA, el objetivo se une competitivamente al aptámero, desplazando el colorante Cy7 y alterando la señal de ECL.
5. Condiciones de Detección: El sistema utiliza K$_2$S$_2$O$_8$ como correactante. Las mediciones de ECL se realizaron a un potencial de activación bajo de −1.0 V en una solución de tampón de fosfato salino (PBS).

Contribuciones Clave y Mecanismos

• Supresión del ACQ: El autoensamblaje inducido por agua transformó la TCPP de estructuras voluminosas irregulares en nanohojas ordenadas. La caracterización (Raman, UV-Vis y mediciones de tiempo de vida de fluorescencia) confirmó una reducción en el apilamiento $\pi$–$\pi$ y un tiempo de vida del estado excitado prolongado (11.60 ns para TCPP NPs frente a 10.60 ns para la forma monomérica de la TCPP), mitigando eficazmente el efecto ACQ y mejorando la eficiencia de la luminiscencia.
• Ciclo Redox Multivalente: El portador MIL-101(Fe)@MoS$_2$ actúa como un amplificador multifuncional. La interconversión de valencia reversible de Fe$^{2+}$/Fe$^{3+}$ y Mo$^{4+}$/Mo$^{6+}$ mantiene un ciclo redox continuo. Esto acelera la descomposición del correactante (S$_2$O$_8^{2-}$) y promueve la generación de especies reactivas (SO$_4^{\bullet-}$), aumentando significativamente la intensidad de la ECL.
• Activación de Vacantes de Oxígeno: El compuesto posee abundantes vacantes de oxígeno (confirmadas por XPS y EPR), que sirven como centros activos para adsorber y activar el O$_2$ disuelto, mejorando aún más la transferencia de electrones y la activación del correactante.
• Operación de Bajo Voltaje: Los efectos sinérgicos del ensamblaje supramolecular y del portador de MOF multivalente redujeron el potencial de activación de la ECL a −1.0 V, facilitando la detección de bajo consumo energético.

Resultados

• Métricas de Desempeño: El aptasensor construido logró un límite de detección (LOD) ultrabajo de 1.87 × 10$^{-15}$ g/L (S/N = 3) con un amplio rango lineal de 1.0 × 10$^{-14}$ a 1.0 × 10$^{-6}$ g/L.
• Selectividad y Estabilidad: El sensor demostró una alta especificidad para 4-FMA, mostrando una interferencia negligible de otros análogos de NPS (por ejemplo, furanil fentanil, flu alprazolam) incluso a concentraciones 10,000 veces superiores. El sistema exhibió una excelente estabilidad (RSD < 5.0% durante 10 ciclos) y estabilidad de almacenamiento durante 15 días.
• Análisis de Muestras Reales: El método fue validado utilizando muestras reales de cigarrillos electrónicos. Los experimentos de adición estándar arrojaron recuperaciones entre el 95.0% y el 104.0% con RSDs menores al 5.0%, confirmando la robustez del sensor en matrices complejas y viscosas que contienen propilenglicol, glicerol, nicotina y agentes saborizantes.

Significancia
Este trabajo presenta una ruta verde y sencilla para el desarrollo de luminóforos de ECL de alto rendimiento basados en PAHs mediante la superación del defecto intrínseco de ACQ a través del autoensamblaje supramolecular inducido por agua. Al integrar estos luminóforos con un portador de MOF multivalente, el estudio establece una herramienta analítica fiable y libre de etiquetas para el cribado rápido de contaminantes psicoactivos emergentes. El método propuesto ofrece ventajas distintivas en eficiencia, portabilidad y rentabilidad en comparación con la espectrometría de masas tradicional, poseyendo un potencial significativo para su aplicación en el control de drogas, la seguridad pública, la toxicología forense y la detección de seguridad alimentaria.