01
研究背景
尿嘧啶 (U) 是一种 RNA 碱基，通常与一系列细胞功能必需酶的生物合成有关，是陆地生命代谢中至关重要的辅助因子的基本组成部分之一，因此与多种疾病和代谢紊乱有关。5-氟尿嘧啶 (5-FU) 是一种广泛应用于结肠癌、直肠癌、胃癌、乳腺癌、卵巢癌等多种肿瘤相关癌症的抗肿瘤药物，是 U 的衍生物。5-FU 和 U 浓度过高可通过代谢物积累引起神经毒性。因此，测定生理液中 5-FU 和 U 的浓度在药学和临床诊断中具有显著的必要性。
02
研究内容
中科院福建物质结构研究所卢灿忠团队刘佳博士等人构建了共价有机框架材料 (COF)、超分子宿主葫芦[8]脲 (CB8) 和金纳米颗粒的二维杂化纳米片，通过三者协同作用，构建了具有优良性能的电化学传感器基底。所构建的 COF/CB8/AuNPs 电化学传感器可在未经预处理的尿液、血清介质中实现对具有相似结构的生物小分子（U和5-FU）的同时高灵敏度快速检测。
图1 COF 和 COF/CB8/AuNPs 的合成方法及修饰电极的应用思路。
如图1所示，在传感器基底设计中，作者首先通过利用柔性单体 TAPD 和 ETTB 合成了二维 COF 纳米薄片，而后通过自组装作用，将超分子宿主葫芦[8]脲 （CB8） 附着在 COF 表面，在此之后通过原位还原 HAuCl4，制备了 COF/CB8/AuNPs 二维纳米片，通过滴涂法制备了电化学传感器基底。
图2 修饰电极的电化学性能表征。
通过对于得到的利用不同材料修饰的电极在标准氧化还原物质 K3Fe(CN)6 中进行循环伏安测试以及交流阻抗测试（图2），发现 COF/CB8/AuNPs 修饰电极的导电性优于 COF、CB8、COF/CB8、COF/AuNPs、CB8/AuNPs 修饰的电极材料。经测试不同扫描速度下的 CV，作者发现 COF/CB8/AuNPs 修饰电极界面发生的氧化还原反应是由扩散控制的过程，而且由 Randles-Sevcik 公式得出，COF/CB8/AuNPs 修饰电极的电活性表面积是裸电极的4.1倍，可有效放大电化学信号，提高电化学传感器灵敏度。
图3 葫芦[8]脲对目标检测物的主客体识别作用。
通过核磁氢谱以及紫外滴定实验并结合计算机模拟优化 CB8 与目标检测物 5-FU 和 U 所形成的主客体络合物的结构（图3），CB8 与目标分子之间的主客体识别作用被证实。这种主客体之间基于尺寸、极性、电荷有选择性地识别作用有利于提高电化学传感器的检测选择性和专一性。
图4 COF/CB8/AuNPs 修饰电极对 5-FU 和 U 的 DPV 滴定。
在确定了COF/CB8/AuNPs 修饰电极的电化学性能后，作者利用差分脉冲伏安法（DPV）分别对 5-FU 和在不同介质中（PBS、人工合成尿液、胎牛血清）进行了滴定实验，在不同介质中都得到了相应的 DPV 电流信号与检测物浓度与之间的线性相关关系，实现了对于 5-FU 和 U 在复杂生物介质中的定量检测。
图5 COF/CB8/AuNPs 修饰电极的抗干扰能力及同时检测 5-FU 和 U 的能力。
而后，作者对 COF/CB8/AuNPs 修饰电极的抗干扰能力进行了表征（图5a）。结果表明，在含有高倍浓度金属离子、糖类、其他药物等干扰分子的情况下，COF/CB8/AuNPs 修饰电极测得的 5-FU 和 U 的浓度维持较理想的稳定状态，具有优秀的应用于复杂环境中的潜能。
由于 5-FU 和 U 的结构相似，利用其他技术对二者同时定量检测具有一定难度。本研究通过差分脉冲伏安法，利用 COF/CB8/AuNPs 修饰电极的主客体识别能力实现了对 5-FU 和 U 在生物介质中的同时检测。
03
总结展望
本论文开发的 COF/CB8/AuNPs/GCE 电化学传感器可以同时检测结构相似的 5-FU 和 U，并且达到低至 10-8M 的检测限和微摩尔范围内的线性检测区间。COF/CB8/AuNPs/GCE 具有出色的抗干扰能力和传感选择性，能够可靠地同时定量 SU 和 FBS 等复杂生物基质中的 5-FU 和 U，在药物诊断应用中进行快速和现场检测中具有重要意义。这项工作的发现为基于 2D-COF 和超分子主体分子设计性能优秀的新型电化学传感器奠定了基础。
04
论文信息
Two-dimensional covalent organic framework-based hybrid nanosheets for electrochemical detection of 5-fluorouracil and uracil in biofluids
Jia Liu, Zhiyang Wang, Xiaowei Wu, Shanyue Wei, Yiming Xie, Jing Chen and Can-Zhong Lu
Mater. Chem. Front., 2024, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D4QM00439F
*文中图片皆来源上述文章
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05
通讯作者简介
卢灿忠 研究员
中科院福建物质结构研究所
中国科学院福建物质结构研究所副所长、学术（学位）委员会委员，上海科技大学/福州大学等高校兼职教授。长期从事有机－无机复合材料、光电转换材料等领域研究，主持和参与完成多项国家自然科学基金重大、面上项目、省重大科技专项、科技部支撑项目子课题等。获得国家杰出青年基金（2004年）、首届“百千万人才工程”国家级人选(2004年)、福建省自然科学成果一等奖（R1, 2005年）等奖项荣誉，研究成果已在包括：Nat. Chem., J. Am. Chem. Soc., Angew., Adv. Mater. 等刊物上发表学术论文近400余篇。
吴晓伟 博士
中科院福建物质结构研究所
吴晓伟，2019年毕业于上海交通大学化学专业获博士学位，现为中国科学院福建物质结构研究所博士后/特别研究助理。主要研究方向为 COF 材料的结构设计与功能化及在清洁可再生能源中的应用，以一作/通讯作者身份在 J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Mater. Chem. Front. 等刊物上发表研究性论文10余篇。
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