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

技术摘要：水诱导卟啉集成 MOF 的超分子自组装用于增强电化学发光及超灵敏适配体传感

问题陈述
多环芳烃（PAHs，如卟啉）作为电化学发光（ECL）发光团的应用受到两个固有局限性的严重限制：较差的水溶性和聚集诱导淬灭（ACQ）效应。减轻 ACQ 的传统方法（如通过配位锚定将 PAHs 嵌入金属有机框架 [MOFs] 中）通常依赖于溶剂热合成。这些传统方法涉及长时间的反应时间、复杂的步骤、昂贵的有机溶剂以及严苛的高温高压条件，阻碍了低成本、大规模制备和现场部署。此外，目前对 4-氟甲基苯丙胺（4-FMA，一种强效新型精神活性物质 [NPS]）的检测依赖于高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）。虽然这种主流方法灵敏度高，但过程繁琐、成本昂贵且依赖大型仪器，不适用于基层药物管控和法医毒理学中的快速现场筛查。

方法论
为了应对这些挑战，作者提出了一种绿色的水诱导超分子自组装策略，并结合了多功能信号放大载体。

1. 发光团（TCPP NPs）的合成： 采用简单的再沉淀法，使用四氢呋喃（THF）和水进行合成。将间位-四(4-羧基苯基)卟啉（TCPP）分散在 THF 中，并在超声作用下迅速倒入水中。这一过程通过非共价相互作用诱导 TCPP 自发组装成有序的超分子聚集体（TCPP NPs）。该策略有效地抑制了 $\pi$–$\pi$ 堆叠和 ACQ 效应，从而形成了纳米片状形貌。
2. 放大器（MMS）的合成： 通过水热法合成了一种基于铁的二硫化钼支撑的 MOF（MIL-101@MoS$_2$，称为 MMS）。该复合材料具有由 MIL-101(Fe) 和 MoS$_2$ 阵列组成的类花状结构。
3. 复合材料（MMST）的制备： 通过将 MMS 水溶液与 TCPP 溶液混合，随后进行冷冻干燥来制备 MMST 纳米颗粒。MMS 颗粒被均匀地锚定在 TCPP 超分子片层上。
4. 传感器构建： 使用玻璃碳电极（GCE）修饰 MMST 复合材料，随后固定针对 4-FMA 的 DNA-氰基染料（Cy7）适配体。传感机制依赖于靶标触发的置换：在存在 4-FMA 的情况下，目标物与适配体竞争性结合，置换出 Cy7 染料并改变 ECL 信号。
5. 检测条件： 该系统利用 K$_2$S$_2$O$_8$ 作为共反应物。ECL 测量在磷酸盐缓冲溶液（PBS）中、低触发电位 −1.0 V 下进行。

核心贡献与机制

• 抑制 ACQ： 水诱导的自组装将 TCPP 从不规则的块体结构转化为有序的纳米片。表征（拉曼、紫外-可见光谱和荧光寿命测量）证实了 $\pi$–$\pi$ 堆叠的减少和激发态寿命的延长（TCPP NPs 为 11.60 ns，单体 TCPP 为 10.60 ns），从而有效减轻了 ACQ 效应并增强了发光效率。
• 多价态氧化还原循环： MIL-101(Fe)@MoS$_2$ 载体充当多功能放大器。Fe$^{2+}$/Fe$^{3+}$ 和 Mo$^{4+}$/Mo$^{6+}$ 的可逆价态转化维持了连续的氧化还原循环。这加速了共反应物（S$_2$O$_8^{2-}$）的分解，并促进了活性物种（SO$_4^{\bullet-}$）的产生，显著提升了 ECL 强度。
• 氧空位激活： 该复合材料具有丰富的氧空位（经 XPS 和 EPR 证实），这些空位作为活性中心吸附并活化溶解的 O$_2$，进一步增强了电子转移和共反应物的活化。
• 低电压运行： 超分子组装与多价态 MOF 载体的协同作用降低了 ECL 触发电位至 −1.0 V，便于实现高能效检测。

结果

• 性能指标： 构建的适配体传感器实现了极低的检出限（LOD）为 1.87 × 10$^{-15}$ g/L（S/N = 3），线性范围宽达 1.0 × 10$^{-14}$ 至 1.0 × 10$^{-6}$ g/L。
• 选择性和稳定性： 该传感器对 4-FMA 表现出高度的选择性，即使在其他 NPS 类似物（如呋喃基芬太尼、氟艾匹唑仑）浓度高出 10,000 倍的情况下，也表现出微不足道的干扰。该系统表现出优异的稳定性（10 次循环内 RSD < 5.0%）和 15 天的储存稳定性。
• 真实样品分析： 使用真实的电子烟样品验证了该方法。标准加入实验显示回收率在 95.0% 至 104.0% 之间，RSD 小于 5.0%，证实了该传感器在含有丙二醇、甘油、尼古丁和香料等复杂粘性基质中的稳健性。

意义
这项工作通过水诱导超分子组装克服了固有的 ACQ 缺陷，为开发高性能基于 PAH 的 ECL 发光团提供了一条绿色且简便的途径。通过将这些发光团与多价态 MOF 载体相结合，本研究建立了一种可靠的、无标记的分析工具，用于快速筛查新兴的精神活性污染物。与传统的质谱法相比，所提出的方法在效率、便携性和成本效益方面具有明显优势，在药物管控、公共安全监测、法医毒理学和食品安全检测领域具有重要的应用潜力。