基于Ln-Ru双位点纳米酶的显色传感器阵列在硫醇鉴别中的抑制效应

《Biosensors and Bioelectronics》：Inhibition effect-involved colorimetric sensor array based on Ln-Ru dual-site nanozymes for thiol discrimination

硫醇检测新方法：基于稀土掺杂RuO?纳米酶的多通道传感器设计及其在疾病诊断中的应用。该研究通过调控稀土元素（Ho、Er、Tm）与RuO?的复合结构，实现了硫醇分子的特异性识别。实验表明，掺杂后的纳米酶表现出竞争与非竞争混合抑制模式，其抑制常数随稀土种类不同而显著差异（0.0044-0.0106 mM）。基于此建立了六通道传感器阵列，检测限达1 μM，并成功区分正常与癌细胞内源性硫醇水平。

　　

李家军|焦磊|卢东|胡丽军|贾向坤|陈成杰|宗佩佩|张一鸣|孙小蕾|翟彦玲|卢小全

中国山东省青岛市青岛大学化学与化学工程学院分子计量学研究所，邮编266071

摘要

纳米酶与巯基之间的抑制作用已被广泛研究并用于开发巯基传感器。然而，由于各种巯基的结构相似性，准确区分这些巯基仍然是一个巨大的挑战。本文开发了一系列掺镧的RuO₂纳米酶（Ln-RuO_x），它们具有Ln-Ru双活性位点，并表现出增强的过氧化物酶样活性。抑制动力学研究表明，巯基对Ln-RuO_x纳米酶的抑制模式是混合型的，而与RuO₂纳米酶的竞争性抑制模式不同。此外，通过调节Ln-RuO_x纳米酶中的Ln元素，可以显著改变纳米酶与巯基之间的抑制作用，这通过抑制常数得到了验证，从而实现了对不同巯基的准确区分。最后，基于这种差异性的抑制效应，建立了一个多通道传感器阵列，能够检测到浓度低至1 μM的六种巯基。更重要的是，这种比色传感器阵列能够根据内源性巯基区分正常细胞和癌细胞，展示了其在疾病诊断中的强大应用前景。

引言

生物巯基在维持生物系统的氧化还原平衡中起着重要作用（Yin等人，2017年）。不同生物巯基的异常水平与特定的慢性疾病和退行性疾病密切相关（Dong等人，2025年）。因此，监测生物巯基对于制定针对性疾病的诊断和治疗策略至关重要（Chen等人，2025年；Kuai等人）。谷胱甘肽（GSH）是细胞中最丰富的非蛋白质巯基，已被确定为癌症、中风和心血管疾病等疾病的生物标志物（Liu等人，2023年）。同时，半胱氨酸（Cys）作为蛋白质合成的关键前体，与阿尔茨海默病、帕金森病和自身免疫缺陷综合征等多种疾病有关（Ferreira等人，2022年）。因此，准确区分不同的巯基对于生物医学研究和临床诊断至关重要。然而，由于它们的结构相似性、小分子尺寸以及巯基基团的相似空间构型，实现特定巯基的区分存在相当大的障碍（Bailey和Pluth，2013年；Yu等人，2025年）。

纳米酶通常结合了出色的酶模拟活性和纳米材料的独特稳定性，在疾病诊断和治疗领域展现出巨大潜力（Lan等人，2022年；Wang等人，2024年；Zhang等人，2025年）。其中，基于钌（Ru）的纳米酶因其独特的电子结构而能够与巯基基团发生强烈相互作用，特别适合用于巯基检测（Fan等人，2024年；Xu等人，2024年）。然而，Ru基纳米酶中单一的金属-巯基相互作用限制了纳米酶与抑制剂之间的抑制模式，抑制效果主要依赖于抑制剂对活性位点的毒害作用（Tang等人，2022年；Wang等人，2018年）。这种均匀的抑制导致纳米酶与不同巯基之间的相互作用强度相似，使得难以区分各种巯基种类（Li等人，2025年）。因此，需要通过引入能够与抑制剂差异结合的功能域来合理设计纳米酶，以实现不同的抑制模式和多样的抑制结果（Rad等人，2022年；Selva Sharma等人，2025年；Wu等人，2025a）。

本文报道了掺镧（包括Ho、Er和Tm）的RuO₂（Ln-RuO_x）纳米酶，它们表现出增强的过氧化物酶样（POD）活性。Ln-RuO_x与巯基相互作用时表现出独特的抑制效应，这与RuO₂纳米酶仅在Ru-O位点发生的竞争性抑制不同。在Ln-RuO_x中观察到混合型抑制，即在Ru-O位点发生竞争性抑制，在Ln位点发生非竞争性抑制。值得注意的是，抑制效应由Ln位点与巯基之间的不同结合亲和力决定。Ln-RuO_x显示出不同的抑制常数（K_i），其中Tm-RuO_x的K_i为0.0044 mM，而Er-RuO_x的K_i为0.0078 mM，Ho-RuO_x的K_i为0.0106 mM。最后，我们开发了一个多通道传感器阵列，能够区分六种巯基，并识别癌细胞和正常细胞。我们的发现推进了纳米酶的应用，为巯基的初步识别提供了巨大潜力，并揭示了纳米酶的抑制机制。

章节摘录

Tm-RuO_x和RuO₂的合成

为了合成Tm-RuO_x，将60 mg RuCl₃和12.5 mg Tm(NO₃)₃溶解在6 mL去离子水中，并加入1.5 g尿素和6 g葡萄糖（保持Tm:Ru的原子比为1:10）。随后，将均匀溶液在140 °C下加热8小时形成多孔泡沫，然后在空气中500 °C下退火10小时得到Tm-RuO_x。使用Er(NO₃)₃和Ho(NO₃)₃代替Tm(NO₃)₃，采用类似的方法制备了Er-RuO_x和Ho-RuO_x。作为对比，还制备了纯RuO

纳米酶的制备与表征

图1a示意性地展示了金红石结构Ln-RuO_x的合成过程。透射电子显微镜（TEM）成像显示，制备的Tm-RuO_x由大量纳米片组成（图1b）。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像显示出间距为0.318 nm的清晰晶格条纹，属于（110）晶面，与纯RuO₂一致（图1c，S1）。纳米酶的晶体结构通过

结论

总之，基于纳米酶的抑制效应，开发了具有耦合Ln-Ru位点的Ln-RuO_x纳米酶，通过Ln位点调控的特异性识别机制显著提高了巯基检测的灵敏度和准确性。Ln-RuO_x纳米酶表现出混合抑制效应，改变了贵金属纳米酶的单一位点抑制模式，表现为在Ru-O位点的竞争性抑制和在Ln位点的非竞争性抑制。K?结果显示

CRediT作者贡献声明

卢小全：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，正式分析。翟彦玲：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。焦磊：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。李家军：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，方法学研究，正式分析。宗佩佩：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。陈成杰：正式分析。孙小蕾：正式分析。张一鸣：正式分析。胡丽军：正式分析。卢

未引用参考文献

Kuai等人，2024年；Li等人，2024年；Wang等人，2024年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（编号22174110、22127803、52470193和22304096）、山东省自然科学基金支持的项目ZR2023QB006、ZR2023MB029和ZR2024MB084、中国博士后科学基金会（资助编号2023M741853）、青岛市博士后科学基金会（QDBSH20230202031）以及山东省高校青年创新团队的支持。