一种基于Co、Zn@Cu-MOF纳米酶的比色/荧光双模式生物传感器，用于高效检测17β-雌二醇

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A colorimetric/fluorescence dual-mode biosensor utilizing Co,Zn@Cu-MOF nanozyme for efficient detection of 17β-estradiol

E2检测双模生物传感器研究：合成Co,Zn@Cu-MOF纳米酶实现比色-荧光联用检测，灵敏度达0.36-0.38 ng/mL，有效抑制牛奶、血清等复杂基质干扰。

　　

丹梅|詹娟万|季涛李|杨雅玲|钟子涛

昆明理工大学生命科学技术学院，中国云南省昆明市650500

摘要

作为典型的内分泌干扰化合物，17β-雌二醇（E2）对生态系统和人类健康都构成了显著风险，这凸显了开发快速、灵敏且可靠的检测方法的必要性。本文报道了一种双模式生物传感器的制备方法，该传感器结合了比色法和荧光法来检测E2。这种创新的传感器使用了一种易于合成的金属有机框架纳米酶（Co,Zn@Cu-MOF）。Co,Zn@Cu-MOF在525纳米处显示出独特的荧光发射，这归因于其中含有的核黄素前体，同时它还具备类似漆酶和过氧化物酶的酶活性。该纳米酶能够催化4-氨基安替比林（4-AP）和2,4-二氯酚（2,4-DP）的氧化反应，生成红色产物；在E2存在的情况下，其催化效率会显著降低。当过氧化氢（H?O?）存在时，Co,Zn@Cu-MOF会促进3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）的氧化，生成蓝色氧化产物，从而通过内部过滤效应（IFE）抑制荧光峰。如果存在E2，Co,Zn@Cu-MOF的过氧化物酶样活性会被显著抑制，导致荧光信号恢复。该双模式传感器的检测限分别为0.36 ng/mL（比色法）和0.38 ng/mL（荧光法）。此外，该传感器具有很强的抗干扰能力，能有效减弱牛奶、血清和尿液等复杂基质中常见物质的影响。这些结果表明，所提出的传感器为E2的快速灵敏检测提供了一种新颖而有效的方法，在食品安全和生物医学分析领域具有广阔的应用前景。

引言

17β-雌二醇（E2）是一种在人类和动物体内广泛分布的雌激素[1]，在生物体的生长、繁殖和发育中起着重要作用[2]。此外，E2还用于避孕、激素治疗和畜牧业。E2的过度使用会导致其在环境中的残留积累[3][4][5]。这种通过食物链的生物积累可能对人类健康构成重大风险[6]。接触E2与不孕症以及乳腺癌和卵巢癌的风险增加有关[7]。值得注意的是，即使在ng/L量级的微量浓度下，E2也可能对人类健康产生不利影响[8][9]。因此，在环境和生物分析领域建立有效且快速的E2检测方法至关重要。

用于检测E2的技术包括高效液相色谱（HPLC）、电化学、荧光、比色和化学发光方法[10][11][12][13]。然而，尽管这些方法性能优异，但其应用仍受到多种因素的限制：色谱仪的高要求难以满足基层实验室的分析和测试需求[14][15]；电化学和化学发光方法的选择性相对较低[16]等。因此，开发一种简单、灵敏且准确的E2检测和分析方法仍然是一个巨大的挑战[17][18]。

具有双信号模式的传感器通过独立测量同一目标物质，实现了互补优势，有效解决了单一方法的固有局限性[19]，从而减少了背景干扰，提高了选择性，并生成了更可靠的结果[20][21][22]。近年来，研究人员开发了一系列双信号模式，包括比色/光热和比色/荧光模式等[23][24][25][26][27]。当前的研究中，双信号检测方案通常使用至少两种不同的材料，通过利用它们的内在特性或相互作用来实现传感[28][29]。然而，这种方法需要使用多种前体材料，并涉及复杂的操作程序。

作为合成催化剂，纳米酶展现出超越天然酶的一系列特性，包括更高的稳定性[30]、成本效益和可调的酶活性[31]。许多纳米材料，包括碳材料[32]、金属基纳米材料[33]、金属有机框架（MOFs）和二维纳米片，因其类似酶的活性而被广泛研究。MOFs是一类由金属离子/簇和有机配体组成的多孔晶体材料，具有极高的比表面积、丰富的活性位点、可控的孔径结构和优异的光学性能[34][35][36]。MOFs在光学传感领域作为纳米酶具有巨大潜力[37][38][39][40]。它们的多孔结构有助于高效吸附和富集目标分子，从而提高检测灵敏度[41][42]。通过选择光学活性配体（如荧光有机配体）或金属离子（如Eu3?），MOFs可以具备优异的荧光发射或显色性能[43][44]。MOFs独特的光学特性和催化功能使其在双模式检测平台中具有广泛应用前景。

在本研究中，使用简单的制备方案合成了材料探针Co,Zn@Cu-MOF(V?B?)，并保留了其前体配体V?B?的优异荧光特性。此外，它还表现出独特的双重酶活性。由于其多功能性，Co,Zn@Cu-MOF(V?B?)能够同时产生双模式检测信号，其中催化产物直接作为荧光淬灭剂。这些特点使得整个方法简单且多功能，无需使用复杂成分，相比许多先前报道的双模式策略更具优势。

Co,Zn@Cu-MOF(V?B?)表现出黄绿色荧光、类似漆酶（LAC）的活性和类似过氧化物酶（POD）的特性。Co,Zn@Cu-MOF(V?B?)氧化4-AP和2,4-DP生成吸收峰位于505纳米的红色产物。同时，该材料将TMB氧化为oxTMB，在生成的oxTMB和Co,Zn@Cu-MOF之间发生荧光内部过滤效应（IFE）。当存在17β-雌二醇（E2）时，525纳米处的荧光强度会增加。通过检测505纳米处的吸光信号和荧光信号的变化，我们成功建立了一种新的双模式检测方法，并将其应用于牛奶、血清和尿液样本中的E2检测（图1）。

部分内容片段

Co,Zn@Cu-MOF(V?B?)的合成

采用微波消化法合成Co,Zn@Cu-MOF(V?B?)。首先，将0.12克V?B?加入10毫升甲醇中溶解（溶液A）。同时，在搅拌条件下，将0.12克Zn(NO?)?·6H?O、0.06克CuCl?和0.06克CoCl?加入10毫升甲醇中（溶液B）。然后将溶液A加入溶液B中并持续搅拌5分钟。随后，将混合物转移到微波消化容器中，在120°C下消化4小时。最终得到产物

Co,Zn@Cu-MOF(V?B?)的特性分析

首先通过SEM和元素映射对材料的结构特征和组成元素进行了分析。图2a显示了一种具有多孔结构的球形形态。样品整体呈球形，表面具有相互连接的孔隙，形成了网状多孔结构。这种结构特性提供了较大的比表面积，扩大了与底物的接触面积

结论

总结来说，我们通过微波消化成功合成了具有双重功能的Co,Zn@Cu-MOF(V?B?)材料，它同时具备类似漆酶（LAC）和过氧化物酶（POD）的活性，可以通过IFE机制实现比色和荧光传感。E2的存在通过抑制其氧化反应增加了Co,Zn@Cu-MOF(V?B?)的荧光强度。因此，我们开发了一个利用比色和荧光技术的双模式传感平台来检测E2。该方法的实用性

CRediT作者贡献声明

钟子涛：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、正式分析。丹梅：撰写 – 原始草稿、实验研究、数据管理。詹娟万：验证。季涛李：验证。杨雅玲：验证、资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了云南省基础研究项目（项目编号202401CF070117）和昆明理工大学分析与测试基金会（项目编号2023T20230060）的支持。