《Talanta》：Partial ligand-exchange synthesis of Pt/ZIF with superior oxidase-mimicking activity for dual-modal colorimetric/fluorescent detection of adenosine triphosphate in bacteria and pleural effusion
Ziting Lin|Yuhan Chen|Guangze Sun|Ning Cui|Aihua Liu
青岛大学生命科学学院化学生物学与生物传感研究所，中国青岛市宁夏路308号，266071
摘要：
三磷酸腺苷（ATP）作为生命活动的通用能量货币，在生物过程中起着核心作用，其定量检测对于评估生物活性和代谢状态至关重要。在环境监测、食品安全和生物医学等领域，灵敏地检测ATP对于识别微生物污染、评估细胞活力乃至推进疾病早期诊断具有重要意义。然而，在实际样品（如细菌和体液）中特异性检测ATP仍然具有挑战性。本文通过部分配体交换成功合成了铂纳米粒子/ZIF-8复合材料（Pt/ZIF），该材料表现出优异的氧化酶模拟活性，催化效率（Vmax/Km = 7.38×10^-4 s^-1）远超许多其他纳米酶。有趣的是，ATP能够竞争性地取代Pt/ZIF中的2-甲基咪唑，导致Pt/ZIF结构崩溃，从而显著降低酶活性。利用Pt/ZIF对ATP的响应特性，开发了一种新型的双模式比色/荧光传感平台。该平台在比色模式下检测范围为1–10 μM和10–1000 μM，在荧光模式下检测范围为0.001–1 μM和1–1000 μM，检测限分别为98.21 nM和0.64 nM。所开发的传感器应用于检测大肠杆菌（Escherichia coli）培养物中的ATP，结果显示其与细菌生长阶段有良好相关性；同时应用于临床胸腔积液样本，发现癌症患者和炎症患者的ATP水平高于对照组，检测结果令人满意。这项工作为复杂生物样品中ATP的快速检测提供了有力工具，并展示了广泛的应用潜力。
引言
三磷酸腺苷（ATP）作为生命活动的能量核心，通过定量检测是评估生物资源活性和代谢状态的关键指标[1]。其浓度的动态变化与细胞活性、疾病进展（如癌症、神经退行性疾病）以及微生物污染[2]、[3]、[4]密切相关。在环境微生物监测、食品安全控制和生物技术过程优化等领域，开发快速准确的ATP检测方法对于实时生物量评估、生态系统功能分析和工业过程改进具有重大意义。然而，在复杂的实际样品（例如细菌群落和临床体液）中实现高灵敏度的ATP检测仍然是一个关键挑战[5]、[6]、[7]。
作为自然界中的高效生物催化剂，生物酶在生命活动中发挥着重要作用。然而，酶的固有限制，包括稳定性差、制备成本高和储存条件苛刻，这些因素限制了它们的应用[8]。2007年，Yan发现Fe3O4纳米粒子（NPs）具有类似过氧化物酶（POD）的活性[9]，并首次提出了“纳米酶”的概念。迄今为止，已经探索了多种能够模拟天然酶活性的纳米结构，这些纳米结构具有优异的稳定性和可控性，例如金属氧化物[10]、[11]、[12]、VN纳米复合材料[13]、贵金属纳米材料[14]，它们已被应用于催化、生物传感、生物医学和环境修复等领域[15]、[16]、[17]。特别是在生物传感器领域，纳米酶由于其高催化活性、功能化表面和信号放大能力[18]、[19]、[20]，已成为构建高灵敏度检测平台的核心组件。然而，纳米酶仍面临催化效率不足、底物特异性差和活性位点暴露不足等关键问题[21]。
金属有机框架（MOFs）材料在催化和传感领域展现出独特优势，因为它们具有高度有序的多孔结构、可调的表面化学性质和丰富的活性位点[22]、[23]、[24]。其中，沸石咪唑酸盐框架（ZIFs）由于其优异的生物相容性、功能修饰和活性位点负载能力，已成为构建类酶催化剂 的理想平台[25]。然而，传统的基于ZIF的纳米酶常常受到活性中心暴露不足、催化效率低和稳定性差的挑战，这限制了它们的后续应用[26]。因此，有必要探索有效的策略，包括使用具有稳定晶体结构的纳米酶类NPs进行负载，以及开发ZIF-8的孔系统[26]，或者采用“一步共合成”方法在生长过程中直接引入活性金属[27]。目前最常用的方法是使用ZIFs作为前驱体合成单原子纳米材料，这些材料在催化、能量转换等领域显示出显著优势[28]。在合成过程中，目标金属离子被引入ZIF-8框架中，然后通过高温碳化获得氮掺杂的碳基单原子催化剂（SAC）[29]。然而，这种制备策略在高热解过程中容易发生结构重构，导致ZIF-8的规则孔系统崩溃[30]。此外，高温煅烧后去除残留的金属NPs或锌通常依赖于强酸蚀刻，这存在安全隐患和环境污染问题[31]。另外，前驱体合成过程中目标金属的高浓度使其容易聚集成NPs，导致最终合成的SAC产率较低[32]。部分配体交换是一种新的后合成修饰技术，其核心是利用不同金属离子与有机配体的配位能力差异，通过竞争性配位实现金属节点的选择性替换。这种策略在保持ZIF-8结构完整性和保留原始高比表面积方面具有独特优势。此外，替代的金属以单原子形式嵌入框架中，可以最大化原子利用率。
本文报道了通过部分配体交换将原子级分散的Pt位点锚定在ZIF-8框架上，从而合成具有优异氧化酶模拟活性的Pt/ZIF。荧光染料罗丹明B（RhB）可以被引入Pt/ZIF的孔中，但由于RhB的聚集淬灭效应，所得到的Pt/ZIF@RhB复合材料的荧光较弱。有趣的是，ATP的存在可以触发Pt/ZIF中咪唑配体的竞争性置换，导致框架崩溃，从而使积累在Pt/ZIF间隙中的RhB释放出来，恢复荧光。此外，由于原始框架的破坏，Pt/ZIF的氧化酶模拟活性显著下降。基于此，构建了一种灵敏且选择性的比色/荧光双模式检测系统，能够有效检测大肠杆菌（Escherichia coli）培养物和临床胸腔积液样本中的ATP。
化学品和试剂
六水合硝酸锌（Zn(NO3)2·6H2O）、六水合氯铂酸（H2PtCl6·6H2O）、2-甲基咪唑（2-MI）、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、甲醇、乙腈、8-羟基喹啉、丙酮、过氧化氢（H2O2）、3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）、RhB、异丙醇（IPA）、叠氮化钠（NaN3）、苯醌（BQ）、甲基橙（MO）、乙二胺四乙酸二钠（Na2EDTA）、抗坏血酸（AA）和谷胱甘肽（GSH）均购自中国医药化学有限公司
Pt/ZIF复合材料的制备与表征
Pt/ZIF是通过室温下的配体交换合成的。首先，Zn2+和2-MI在室温下自组装形成ZIF-8（图1A）。然后，将H2PtCl6溶液加入ZIF-8悬浮液中并反应过夜。随着反应的进行，黄色上清液逐渐褪色，最终变为无色。分离出浅灰色沉淀物，干燥后进行表征（图1A，插图）。从TEM图像（图1C）可以看出，配体交换后的Pt/ZIF保持了原有的
结论
本研究报道了一种金属离子配位策略，通过部分配体交换将单原子Pt位点精确锚定在ZIF-8框架上，制备出具有优异氧化酶模拟活性的Pt/ZIF。随后，通过静电/π-π相互作用将荧光染料RhB封装到孔中，形成荧光较弱的Pt/ZIF@RhB复合材料，这是由于RhB的聚集淬灭效应。利用ATP对Pt2+/Zn2+的配位亲和力高于咪唑配体，ATP能够触发
CRediT作者贡献声明
Ziting Lin：撰写 – 原始稿、方法学、实验研究。Yuhan Chen：撰写 – 原始稿、方法学、实验研究。Guangze Sun：实验研究。Ning Cui：实验研究。Aihua Liu：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思
致谢
感谢国家重点研发计划（2021YFA0910400）和国家自然科学基金（22574090, 22174081）的支持。
