经铂纳米颗粒修饰的Cu/N共掺杂碳基纳米酶具有pH调控的过氧化物酶/过氧化氢酶双重酶模拟活性，可用于多模式检测单宁酸和多巴胺

三维碳基纳米酶在高温碳化过程中易发生骨架坍塌，导致催化活性下降。本研究通过创新性引入聚多巴胺（PDA）涂层保护铜掺杂ZIF骨架，并均匀负载铂纳米颗粒，成功制备具有过氧化物酶和过氧化氢酶双模拟活性的P/Cu-NC@Pt纳米材料。基于该材料构建了多模式检测平台，分别实现TA（检测限0.039 μM）和DA（检测限1.76 μM）的高灵敏检测，并通过纸基传感器与智能手机联用实现了TA和DA的快速现场可视化分析，实际样品平均回收率93.06%-104.90%。

　　

姜建新|周晨宇|何京汉|王波|王汉波|苏兴光

吉林大学化学学院分析化学系，长春130012，中国

摘要

基于ZIFs（沸石咪唑框架）制备的三维碳基纳米酶由于在合成过程中经历了高温热解和碳化，通常会遭受严重的形态破坏和骨架塌陷，这显著降低了它们的催化活性。此外，它们的应用也受到单一催化活性的限制。本文中，我们合成了一种新型的Pt纳米粒子（Pt NPs）修饰的多巴胺（PDA）负载的铜-氮共掺杂碳基纳米酶（P/Cu-NC@Pt），该纳米酶具有双酶模拟活性。在Cu掺杂的ZIF（CuZIF）热解之前巧妙地引入了PDA，使得材料能够保持其三维结构，有效避免了热解过程中的结构塌陷，并增加了比表面积和金属负载量，从而提高了催化活性。进一步地，通过原位合成在P/Cu-NC表面均匀修饰Pt NPs，最终获得了在不同pH值下具有优异过氧化物酶样活性和过氧化氢酶样活性的P/Cu-NC@Pt。基于P/Cu-NC@Pt的过氧化物酶样活性以及Zn掺杂的AgNCs（Zn-AgNCs）的荧光特性，构建了一种用于检测单宁酸（TA）的荧光和比色检测平台，其检测限（LOD）分别为0.039 μM和0.17 μM。基于P/Cu-NC@Pt的过氧化氢酶样活性，还构建了一种用于检测多巴胺（DA）的比色检测平台，其检测限为1.76 μM。这些检测平台在实际样品中获得了可靠的检测结果，平均回收率范围为93.06%至104.90%。此外，将设计的纸质水凝胶传感器与智能手机结合使用，成功实现了TA和DA的快速可视化分析。所提出的多模式灵活检测方法可以同时满足现场检测和实验室检测的需求。

引言

单宁酸（TA）是一种天然的多酚化合物，广泛存在于许多绿色植物和新鲜水果中[1]。由于TA的多酚羟基结构，它具有独特的生理和化学性质。在制药行业中，TA具有抗菌、抗病毒和抗炎作用[2]、[3]。在食品工业中，TA被用作食品添加剂、调味剂和抗氧化剂。由于其抗氧化特性，TA可以有效防止食品氧化并显著延长食品的保质期[4]。TA还可以改善饮料的风味，因此广泛用于葡萄酒、茶和果汁中[5]。适量摄入TA对人体无害，但过量摄入会导致胃肠道不适[6]。多巴胺（DA）是神经系统中的重要神经递质，在哺乳动物的许多生理功能中起着重要作用，如激素调节、代谢和神经网络[7]、[8]。人体内DA浓度异常可能导致严重的精神疾病，如帕金森病、图雷特综合征等[9]、[10]。此外，由于DA有助于促进蛋白质合成和减少脂肪积累，它被非法用作“瘦肉剂”来喂养供人类食用的牲畜[11]、[12]、[13]。长期食用含有DA残留物的肉类会导致许多健康问题，如恶心、胸闷和头晕，对人类健康构成威胁[11]、[14]、[15]。因此，开发敏感且准确的DA检测方法具有重要意义。迄今为止，大多数TA和DA的检测方法都是单输出模式，容易受到干扰且分析时间较长[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。因此，建立多模式分析方法以实现TA和DA的简单、准确和快速检测，以满足不同需求并保护人类健康具有重要意义。

纳米酶结合了天然酶和纳米材料的优点。自从它们被发现以来，已经在众多领域引发了广泛的研究[23]。由碳材料支持的碳基纳米酶由于其可调的催化活性和优异的生物相容性而在纳米酶领域引起了关注[24]。Ma等人成功制备了具有过氧化物酶样活性的分层多孔碳纳米酶，用于敏感检测TAC[25]。Hong等人通过高温热解策略合成了具有优异氧化酶样催化活性的Fe–N–C单原子纳米酶，并构建了一种用于检测多酚的比色传感平台[26]。Zhou等人利用具有氧化酶样催化活性的Fe、N共掺杂的中孔碳纳米球来检测S^2-[27]。然而，它们的单一催化活性限制了它们的应用，因此探索多功能纳米酶具有重要意义。沸石咪唑框架（ZIFs）是一种金属有机框架（MOFs）。由于其超高的孔隙率、有序的晶体结构和丰富的金属位点，ZIFs已成为制备三维碳基纳米酶的理想前体[28]、[29]。通过高温热解ZIFs制备的碳基纳米酶不仅具有丰富的氮源和金属活性位点，还具有高比表面积和极高的孔隙率，为其他功能分子的固定提供了良好的载体[30]、[31]。通过修饰其他功能分子可以调节碳基纳米酶的催化活性和类型[32]、[33]。然而，在通过高温热解和碳化ZIFs制备三维碳基纳米酶的过程中，容易发生骨架塌陷，破坏其形态结构，显著降低催化活性，并阻碍功能分子的修饰[34]、[35]。Li等人使用Cu-AC纳米酶构建了一种用于检测农药残留物的比色传感平台[36]。Du等人利用tBLG构建了一种光电生物传感器[37]。A. Bambaeero等人通过电化学沉积方法制备了一种含有Ag纳米粒子的复合材料[38]。此外，Pt纳米粒子（Pt NPs）作为一种理想的功能分子，具有优异的催化活性和生物相容性。然而，当Pt NPs修饰在其他纳米酶表面时，容易聚集，这严重阻碍了纳米酶催化活性的提高[30]、[39]。因此，有效避免三维碳基纳米酶在高温热解过程中的骨架塌陷并实现Pt NPs的均匀修饰以调节其催化活性是非常重要的。

在这里，我们首次合成了一种新型的Pt NPs修饰的多巴胺（PDA）负载的铜-氮共掺杂碳基纳米酶（P/Cu-NC@Pt），该纳米酶具有优异的双酶模拟活性。如图1A所示，我们首先通过金属离子和有机配体的自组装制备了十二面体形状的Cu掺杂ZIF（CuZIF）。在高温热解和碳化之前，创造性地将PDA引入CuZIF表面，得到了PDA@CuZIF，这使得材料在热解后能够保持其三维结构，增加了金属负载量和比表面积，并有效避免了热解过程中由于结构塌陷导致的催化活性降低。进一步地，通过原位合成在P/Cu-NC表面均匀修饰Pt NPs，由于协同效应，不仅进一步增强了P/Cu-NC@Pt的过氧化物酶样活性，还赋予了其优异的过氧化氢酶样活性。如图1B所示，在pH 3.5时，P/Cu-NC@Pt的过氧化物酶样活性将H₂O₂转化为O₂^•?，然后O₂^•?将TMB氧化为oxTMB，其吸收峰位于650 nm，这可以有效淬灭Zn掺杂的AgNCs（Zn-AgNCs）的荧光。然而，当加入TA时，TMB的氧化受到极大阻碍，oxTMB在650 nm处的吸收峰降低，Zn-AgNCs在474 nm处的荧光增强。因此，通过监测荧光和比色信号的变化，实现了TA的检测。此外，在pH 8时，P/Cu-NC@Pt的过氧化氢酶样活性将H₂O₂转化为O₂，然后产生的O₂可以加速DA的聚合形成PDA，其吸收峰位于470 nm。因此，通过监测比色信号的变化，实现了DA的检测。构建的检测平台在许多食品样品中也获得了满意的检测结果。此外，通过将设计的纸质水凝胶传感器与智能手机结合使用，成功实现了TA和DA的快速可视化分析。

化学试剂和仪器

化学试剂和仪器详见补充材料。

Cu-NC、P/Cu-NC、P/Cu-NC@Pt的制备

P/Cu-NC的制备方法详见补充材料。Cu-NC的制备过程相同，只是未添加DA。将10 mg的P/Cu-NC分散在超纯水中，然后加入0.125 mL的H₂PtCl₆·6H₂O（25 mg/mL）和200 μL的NaBH₄（5 mg/mL），并在搅拌下混合。上述混合溶液搅拌5小时后离心、洗涤并干燥，得到P/Cu-NC@Pt。

Zn-AgNCs的制备

合成过程详见...

P/Cu-NC@Pt和Zn-AgNCs的特性分析

在与P/Cu-NC相同的热解条件下制备了Cu-NC。SEM图像（图1A）显示，高温热解后Cu-NC出现了明显的结构损伤和骨架塌陷。然而，涂有PDA的P/Cu-NC仍然保持了完整的十二面体形状，证明了PDA的优异粘附性和丰富的基团在高温热解过程中对材料骨架和结构有良好的支撑作用（图1B）。

结论

本研究通过将PDA引入CuZIF，并在P/Cu-NC表面原位修饰Pt NPs，成功合成了结构完整的P/Cu-NC。最终获得的P/Cu-NC@Pt在不同pH值下表现出优异的过氧化物酶样和过氧化氢酶样双酶模拟活性。基于P/Cu-NC@Pt的多模式传感平台实现了对TA和DA的高灵敏度和灵活检测，并开发了用于快速可视化分析的纸质水凝胶传感器。

CRediT作者贡献声明

苏兴光：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取。何京汉：软件、资源、数据分析、数据管理。王波：验证、软件、资源。姜建新：撰写 – 原稿撰写、验证、软件、实验研究、数据分析、概念化。周晨宇：软件、实验研究、数据分析、数据管理。王汉波：软件、资源、数据分析。

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。

本手稿的提交不存在利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号22374058）和吉林省科学技术发展项目（编号20220402001GH）的支持。