具有形态可调性的葡萄糖介导的Mn?O?纳米酶，其氧化酶活性得到增强，可用于谷胱甘肽的可视化检测

《Microchemical Journal》：Morphologically tunable glucose-mediated Mn 2O 3 nanozyme with enhanced oxidase-like activity for visual detection of glutathione

基于葡萄糖结构导向的水热煅烧法合成三种Mn?O?纳米酶，杆状Mn?O?@Glu-R因高比表面积、氧空位及Mn(IV)/Mn(III/II)可逆还原，表现出最优氧化酶样活性，构建了低检测限的比色传感系统及智能手机辅助可视化检测平台。

　　

李少青|李小佩|姚贵香|李家雄|叶浩鑫|何彦志|谭伟|杨文荣|杨敏

云南民族大学化学与环境学院，民族地区资源清洁转化重点实验室，云南省教育厅，云南省环境功能材料重点实验室，昆明 650500，中国

摘要

设计具有增强催化性能和可控酶模拟行为的金属基纳米酶在传感领域受到了广泛关注。在本研究中，我们利用葡萄糖作为结构导向剂，并结合水热煅烧合成策略，成功制备了三种不同形态的Mn₂O₃基纳米酶，包括纳米颗粒（Mn₂O₃@Glu-P）、纳米片（Mn₂O₃@Glu-S）和纳米棒（Mn₂O₃@Glu-R）。研究发现，Mn₂O₃@Glu-R表现出最高的氧化酶（OXD）类似活性，产生了大量的O₂^•?。这种优异的催化性能归因于其暴露的晶面、较大的比表面积和孔体积、Mn（IV）和Mn（III/II）的可逆氧化还原循环以及丰富的氧空位（O_v）。基于Mn₂O₃@Glu-R的优异OXD类似活性，我们开发了一种谷胱甘肽（GSH）比色传感系统，实现了77 nM的超低检测限（LOD）。此外，还建立了一个基于Mn₂O₃@Glu-R的智能手机辅助视觉检测平台，提供了一种便携且用户友好的GSH监测工具，其检测限为0.85 μM。总体而言，这项工作不仅提供了关于纳米酶活性形态调控的见解，还为快速高效的GSH监测提供了一个有前景的平台。

引言

纳米酶作为一种具有酶模拟催化功能的纳米材料，引起了极大的兴趣[1]。自从Yan的团队首次报道了具有过氧化物酶（POD）类似催化特性的磁铁矿（Fe₃O₄）纳米颗粒[2]以来，许多纳米材料被发现具有内在的酶类似活性，包括模拟过氧化物酶（POD）[3]、氧化酶（OXD）[4, 5]、过氧化氢酶（CAT）[6]、超氧化物歧化酶（SOD）[7]、水解酶[8]等。由于成本低、稳定性高且制备简便，纳米酶比天然酶更具优势，已被广泛应用于传感[5, 9]、疾病治疗[3]和抗菌应用[10]等领域。在各种纳米酶中，OXD模拟酶通过使用分子氧（O₂）作为氧化剂直接催化底物，避免了使用不稳定的有害试剂（如过氧化氢（H₂O₂），从而减少了信号输出的变异性，并提高了传感应用的安全性和重复性[11]。因此，作为更安全、更稳定的替代品，OXD类似纳米酶具有广阔的研究前景。迄今为止，大多数报道的OXD模拟酶包括金属氧化物[12]、单原子或双原子材料[13, 14]以及金属有机框架（MOFs）[15, 16]。其中，由于金属氧化物纳米酶具有高比表面积、可控的催化位点和低成本以及简单的合成过程，特别具有吸引力，可分为铜基氧化物（CuO、Cu₂O）、锰基氧化物（MnO₂、Mn₃O₄）、钒基氧化物（VO₂、V₂O₅）和氧化铈（CeO₂等[17]。尽管具有酶模拟行为，但金属氧化物纳米酶的催化效率和底物亲和力通常低于天然酶，需要进一步优化和改进。

为了设计具有多种酶活性的金属氧化物纳米酶，研究人员尝试了多种方法，包括形态和尺寸控制、表面价态和氧空位的调控、杂原子掺杂以及表面修饰[18]。例如，Wang的研究小组发现，具有暴露{110}晶面的棒状CeO₂比多面体或立方体形态的CeO₂表现出更高的OXD模拟活性[19]。Gao等人通过形态设计和缺陷工程制备了MnO_x纳米带（NBs），其超薄层状结构和负电荷层显著提高了OXD模拟酶的催化活性和底物亲和力[20]。Huang等人开发了一种封装在MOF（PCN-224）中的Cu掺杂CeO₂纳米酶，由于表面Cu（Cu²⁺/Cu⁺和Ce（Ce³⁺/Ce⁴⁺的协同氧化还原能力以及载体的独特结构，该纳米酶表现出多种优异的酶类似活性[21]。这些研究表明，通过形态控制调整表面价态比和引入丰富的氧空位（O_v）有望增强酶的催化活性。众所周知，锰基氧化物作为典型的过渡金属氧化物，由于其低毒性、经济性和良好的催化活性而受到广泛关注。当前的研究表明，它们的催化性能源于暴露的晶面、Mn（IV）和Mn（III/II）之间的可逆氧化还原循环以及氧空位（O_v的存在[22]。因此，一些研究人员专注于形态和结构工程。例如，使用不同的方法和原料，合成了具有多种形态的MnO₂（如板状、棒状和块状结构），用于挥发性有机化合物（VOCs）的降解研究[23]。Singh等人成功制备了具有不同形态（花状、立方体状、片状和六方片状）的Mn₃O₄纳米颗粒，表现出多种酶类似活性[24]。然而，不同的形态涉及不同的合成路线和原料。有趣的是，葡萄糖（Glu）作为一种绿色且成本效益高的试剂，在合成过程中常被用作还原剂和结构导向剂，以指导纳米材料形成具有可控的形态、尺寸和孔结构[25]。

谷胱甘肽（GSH）是细胞中最丰富的细胞内小分子硫醇之一，作为抗氧化剂维持生物体的氧化还原平衡[26]。异常的GSH水平与多种疾病（包括癌症、肝损伤和阿尔茨海默病等神经退行性疾病）的进展有关[27]。因此，准确检测GSH浓度对人类健康和食品安全至关重要。传统的检测方法需要复杂的仪器和耗时的程序，限制了其在快速和现场检测中的实际应用。相比之下，比色传感因其快速、便携、简单和可视化的优点，成为现场GSH检测的理想选择。

在本研究中，我们使用不同量的葡萄糖作为结构导向剂，制备了具有颗粒状（Mn₂O₃@Glu-P）、片状（Mn₂O₃@Glu-S）和棒状（Mn₂O₃@Glu-R）结构的Mn₂O₃@Glu纳米材料。与其他材料相比，Mn₂O₃@Glu-R表现出更高的OXD类似活性，这与其独特的形态、Mn（IV）/Mn（III/II）的混合价态以及丰富的氧空位（O_v）密切相关。基于其优异的OXD类似活性以及GSH还原Mn（IV）和oxTMB的能力，我们开发了一种基于Mn₂O₃@Glu-R的比色传感系统用于GSH检测。此外，还通过智能手机的RGB分析实现了视觉定量检测平台。这项研究展示了Mn₂O₃@Glu纳米酶的结构促进效应和催化机制，并展示了其在检测中的潜在应用。

试剂和表征

试剂和表征的详细信息见支持信息。

Mn₂O₃@Glu的合成

Mn₂O₃@Glu纳米酶的合成基于已报道的方法，并进行了轻微修改[28]。具体来说，将MnAc₂·4H₂O（0.4412 g，1.8 mmol）与55 mL去离子水混合并剧烈搅拌10分钟。随后加入2.5 mL NH₃·H₂O，继续搅拌30分钟。然后加入不同质量的葡萄糖（0、0.0811、0.3243和0.9729 g），并继续搅拌

Mn₂O₃@Glu的表征

如图1a所示，合成了一系列Mn₂O₃@Glu样品。分别使用锰酸盐和不同质量的葡萄糖（Glu）作为锰源和结构导向剂。Mn₂O₃前体通过水热法制备，随后进行高温煅烧，生成了具有不同形态的Mn₂O₃@Glu，包括Mn₂O₃@Glu-P、Mn₂O₃@Glu-S和Mn₂O₃@Glu-R。Mn₂O₃的SEM图像显示了不规则的纳米颗粒形态

结论

总之，成功制备了具有三种形态特征的Mn₂O₃@Glu纳米酶。其中，制备的Mn₂O₃@Glu-R具有较高的Mn（IV）和Mn（III/II）氧化还原循环对以及O_ads/O_latt，提高了电子转移效率以及氧分子的吸附和活化能力。此外，较大的比表面积和孔径提供了更多的活性位点，因此表现出优异的OXD类似活性，并产生了大量的O₂^•?

CRediT作者贡献声明

李少青：撰写——原始草稿、方法学、研究、概念化。李小佩：撰写——原始草稿、研究。姚贵香：撰写——审稿与编辑、方法学。李家雄：撰写——审稿与编辑、方法学。叶浩鑫：撰写——审稿与编辑、方法学。何彦志：方法学、研究。谭伟：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。杨文荣：项目管理、资金获取。杨敏：

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了云南省自然科学基金（编号：202501AT070361）、国家自然科学基金（编号：22266036）、云南民族大学-DEAKIN国际功能材料联合实验室（云南省教育厅（编号：117–02001001002107）以及云南民族大学研究生研究创新基金（编号：2025SKY040）的财政支持。