基于MnO?/MOF的还原性物质响应比荧光系统，用于有机磷农药与还原性生物分子的检测与区分

《Analytica Chimica Acta》：A Reducing Substances Response Ratio Fluorescence System Based on MnO 2/MOF for the Determination and distinction of Organophosphorus Pesticides and Reducing Biological Molecules

本研究开发了一种基于UiO-66-NH2包覆MnO2纳米片和Ampliflu Red的新型荧光传感系统，可同时检测有机磷农药（如敌敌畏）和还原性生物分子（GSH、Cys、AA）。通过MnO2的荧光淬灭和催化功能，结合主成分分析（PCA），实现多目标特异性检测，检测限低至0.33 μM，并在实际水样和血清中验证了其稳定性和实用性，为环境监测和生物分析提供新方法。

　　

陶珊珊|胡瑞佳|张欣怡|刘畅|王素琴|李洪波|余瑞琴

江西师范大学化学与材料学院绿色催化重点实验室，中国南昌330022

摘要

由于不合理的使用，环境中和农作物中的有机磷农药（OPs）残留物会通过抑制乙酰胆碱酯酶（AChE）的活性，对人类神经系统造成不可逆的损害。本研究开发了一种基于UiO-66-NH₂包覆的MnO₂和Ampliflu Red（AR）的新型比例荧光传感系统。在该传感系统中，二氧化锰纳米片同时具有荧光猝灭和催化功能。基于还原剂的选择性分解核心机制，该系统能够响应多种OPs，并实现对谷胱甘肽（GSH）、半胱氨酸（Cys）和抗坏血酸（AA）等多目标生物分子的检测。通过主成分分析（PCA），该传感器可以有效区分GSH、Cys和AA，实现对多个目标的特异性识别。在最佳条件下，对对硫磷的检测线性范围为1×10^-6至9×10^-1 mg/mL，检测限低至0.33×10^-6 mg/mL；GSH、Cys和AA的检测线性范围分别为1–100 μM、30–90 μM和1–50 μM，检测限分别为0.33 μM、10 μM和0.33 μM。该方法具有高准确性、操作简便且稳定性良好。它已成功应用于自来水和1%人血清样品的检测，使研究结果更加直观明了。此外，这项研究为基于功能化金属有机框架（MOFs）开发多样化传感器提供了可行的方法，展示了其在环境监测和生物分析中的强大应用潜力。

引言

有机磷农药（OPs）作为一种常用的杀虫剂，在农业实践中被广泛使用。然而，由于不合理的使用，环境中和农作物中的OPs残留物会通过抑制乙酰胆碱酯酶（AChE）的活性，对人类神经系统造成不可逆的损害。因此，开发一种能够准确检测环境中的OPs残留物的传感器具有重要意义。此前，Yao等人开发了一种基于两种荧光试剂和MnO₂过氧化物酶样催化活性的比率荧光传感器。然而，这种传感器受到荧光试剂成本高和稳定性不足的制约。值得注意的是，上述传感器的信号转导核心依赖于MnO₂的分解，这表明它们仅适用于还原性物质。然而，这一方面尚未得到充分探索，因为这些传感器仅实现了定量测定而无法进行特异性区分。例如，它们无法区分谷胱甘肽（GSH）和半胱氨酸（Cys），这两种物质都是细胞抗氧化防御、细胞生长和蛋白质功能中起关键作用的生物硫醇。目前常用的检测技术包括高效液相色谱（HPLC）、质谱（MS）和表面增强拉曼散射等。然而，这些方法需要昂贵的仪器、较长的分析时间和专业的操作技能。因此，具有高灵敏度、操作简便和低成本特点的荧光分析越来越受到关注，可用于构建针对GSH和Cys的高性能传感平台。

量子点（QDs）、共价有机框架（COFs）和金属有机框架（MOFs）受到了广泛关注，并被用于开发荧光传感器。其中，MOF纳米材料因其易于合成、可调的光学性质、优异的稳定性和低成本，在食品安全、环境保护和癌症早期诊断等多个领域得到了成功应用。此外，作为出色的二维（2D）纳米材料，MnO₂纳米片在传感器制备中表现出三种典型功能：由于其宽的紫外（UV）吸收光谱，可以减弱初始荧光强度；在紫外照射下表现出过氧化物酶样的催化活性；同时作为细胞内核酸传递的载体，并提供Mn²⁺以激活Mn²⁺依赖的DNA酶。受之前研究的启发，我们设计了一种基于MnO₂包覆的UIO-66-NH₂和荧光试剂Ampliflu Red（AR）的比率荧光传感器。

该研究系统评估了该传感器对OPs、GSH、Cys和抗坏血酸（AA）的检测性能。在OPs检测系统中，通过引入碱性磷酸酶（ALP）和L-抗坏血酸-2-磷酸钠（AAP）建立了信号转导途径。在OPs存在的情况下，它们会不可逆地抑制ALP的催化活性，从而阻止AAP水解为AA。在这种情况下，MnO₂纳米片保持结构完整性，维持UIO-66-NH₂的荧光猝灭（表现为低荧光强度），同时有效催化AR氧化为间苯二酚，显著增强荧光信号。相反，在没有OPs的情况下，ALP促进AAP水解生成AA，进一步驱动MnO₂还原为Mn²⁺。这一过程不仅缓解了MnO₂对UIO-66-NH₂的荧光猝灭（显著提高其荧光强度），还由于MnO₂的消耗抑制了AR的催化氧化，导致AR的荧光强度降低。对于还原性生物分子（GSH、Cys、AA）的检测，目标分子直接参与MnO₂纳米片涂层的还原性降解——同时消除UIO-66-NH₂的荧光猝灭（提高其荧光强度）并抑制AR的催化氧化（降低其荧光强度）。此外，主成分分析（PCA）被用于有效区分这三种还原性生物分子：GSH、Cys和AA。重要的是，该传感器在真实样品（包括1%自来水和1%人血清）中表现出稳定可靠的检测性能，证实了其出色的抗干扰能力和实际应用性。这些结果为该传感器在环境监测和生物医学检测中的应用奠定了坚实基础。

试剂和材料

Aladdin提供了分析纯标准的ZrCl₄、KCl、CaCl₂、MgCl₂和KMnO₄。标准有机磷农药液体、Cys和AA由Aladdin提供。分析纯标准的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和甲醇也购自Aladdin。2-氨基对苯二甲酸（BDC-NH₂，99%）、ALP来源于牛的肠黏膜，L-抗坏血酸-2-磷酸钠（AAP）和GSH购自Merck Sigma。人血清样本由Zhongke Chenyu提供

实验原理

图1展示了本研究的工作原理。如A节所示，合成了金属有机框架UIO-66-NH₂，B节描述了其检测机制。MnO₂纳米片具有宽的紫外吸收光谱（300–450 nm），与UIO-66-NH₂的荧光发射光谱（430 nm）有显著重叠，满足荧光共振能量转移（FRET）的条件。作为能量受体，MnO₂能够高效捕获

结论

总之，我们设计了一种基于MnO₂/UIO-66-NH₂和常用荧光探针AR的比例荧光系统，该系统能够响应还原性物质，并已成功应用于OPs和还原性生物分子的检测。在最佳条件下，phoxim的检测线性关系良好，范围为1×10^-6至9×10^-1 mg/mL。GSH、Cys和AA的检测线性范围分别为1-100 μM、30-90 μM和1-50 μM。根据3σ/|S|的计算，检测限

CRediT作者贡献声明

余瑞琴：撰写 – 审稿与编辑。王素琴：撰写 – 原稿撰写、正式分析、概念构思。刘畅：正式分析、数据管理。张欣怡：实验研究、正式分析、数据管理、概念构思。胡瑞佳：实验研究、正式分析、数据管理。陶珊珊：实验研究、正式分析、数据管理。李洪波：撰写 – 审稿与编辑、原稿撰写、资源获取、项目管理、方法学设计、实验研究、资金支持

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号：22164011、21565015、21663014）和化学生物传感与化学计量国家重点实验室的支持。