可与智能手机集成、通过活动调节的双金属铁钴纳米花，用于快速检测人体尿酸

《Analytica Chimica Acta》：Activity-tunable bimetallic iron-cobalt nanoflowers integrated with smartphones for rapid detection of human uric acid

纳米花催化活性调控及双模式尿酸检测技术开发。采用FeCo NFs-NH2实现ratiometric荧光与比色法联用检测，检测限达0.31 μM，利用电子顺磁共振揭示羟基自由基生成能力差异。通过智能手机平台实现便携式、仪器-free检测，证实纳米酶在稳定性与催化性能上的优势。

　　

作者：程 Rou | 郭子怡 | 肖正月 | 余博文 | 唐晓敏 | 徐鹏 | 邱平

南昌大学化学与化学工程学院，中国南昌 330031

摘要

背景

尿酸（UA）是一种与痛风和阿尔茨海默病等疾病相关的关键生物标志物，可以通过纳米酶技术进行检测。因此，开发基于纳米酶的敏感生物传感器对于疾病的早期诊断和预防至关重要。

结果

在本研究中，成功合成了具有可调活性的纳米花（FeCo NFs），不同金属比例的纳米花表现出不同的过氧化物酶样和氧化酶活性。基于氨基修饰的纳米花（FeCo NFs-NH₂）的双模式检测方法（比率荧光法和比色法）的检出限分别为 0.41 μM 和 0.31 μM。电子自旋共振测量表明，不同金属比例的纳米酶在催化活性上的差异源于它们产生 •OH 的能力不同。此外，FeCo NFs-NH₂ 的荧光可以通过 2,3-二氨基苯嗪（DAP）通过内部滤光效应和光诱导电子转移而被淬灭，这一现象通过 Stern-Volmer 和 Parker 方程得到了详细研究。最后，开发了一种基于智能手机的检测平台，实现了便携、无需仪器且高灵敏度的尿酸检测。

意义

本研究充分利用了多功能探针和双通道检测的优势，实现了可靠的血清学诊断和相关疾病评估。此外，这项深入研究在调节金属纳米酶的催化活性方面取得了进展，特别是在调节氧化酶活性和过氧化物酶活性方面。

引言

尿酸（UA，2,6,8-三羟基嘌呤）已成为健康评估的重要生物标志物。由于人类进化过程中尿酸酶基因的功能突变，分解尿酸的能力有限，因此需要通过泌尿系统排泄来维持尿酸平衡[1,2]。在正常生理条件下，人体血清中的尿酸水平保持在 120-450 μM 的范围内，而尿液中的尿酸正常范围通常为 1.4-4.4 mM[3]。由于日常生活中缺乏运动和不良饮食习惯，人们经常摄入过多富含嘌呤的食物，导致血清中的尿酸水平超过血液的饱和点。当血清尿酸过高时，尿酸盐晶体容易在关节、肾脏和其他组织中沉淀，从而引发痛风、糖尿病、高尿酸血症和高血压等多种疾病[4],[5],[6],[7]。尿酸水平过低可能与多发性硬化症、帕金森病和阿尔茨海默病等疾病有关[8,9]。因此，开发高效且灵敏的尿酸检测生物传感器对于相关疾病的早期诊断和有效预防具有重要的临床价值和实际意义。

迄今为止，已经报道了许多尿酸检测方法，包括磷钨酸还原法[10]、电化学发光[11]、电化学方法[12]、高效液相色谱[13]、荧光光谱[14]和比色法[15]。在这些方法中，光学传感器因其成本效益高、效率高和操作简便而受到特别关注，同时在相对复杂的环境中也表现出高稳定性。荧光光谱和比色法在生物传感领域受到了广泛关注，因为它们操作简便、检测快速且结果直观（肉眼可见）。此外，它们不仅具有高灵敏度和选择性，还实现了低成本和便携式的检测，因此在实时检测和环境监测等领域具有广泛的应用前景[16]。值得注意的是，比率荧光检测策略利用双发射峰信号系统实现了自校准功能，有效减轻了单发射荧光检测对干扰的敏感性，显著提高了检测可靠性[17]。

纳米酶是一类能够模拟天然酶催化功能的纳米材料。与天然酶相比，它们具有成本更低、稳定性更高和使用寿命更长的优势[18]。自从 2007 年首次发现 Fe₃O₄ 纳米颗粒的过氧化物酶样（POD）活性以来[19]，针对高性能 POD 纳米酶的研究激增。如前所述，各种 POD 纳米酶（如过渡金属氧化物[20]、贵金属[21,22]、金属有机框架（MOFs）[23]、石墨烯[24]和过渡金属硫化物[25]）已被应用于不同领域。其中，过渡金属纳米酶具有天然的酶样特性，并具有优异的稳定性、可控的活性和成本效益高的制备过程[26]。此外，基于纳米酶引入荧光功能使得能够开发出同时具备荧光探针和纳米酶特性的多功能材料，从而构建出双信号传感器。

本研究设计并合成了具有可调酶活性的氨基化 FeCo 纳米花（FeCo NFs-NH₂）。不同的金属比例表现出不同的 POD 和氧化酶（OXD）活性。基于 FeCo NFs-NH₂，利用比色法和比率荧光法构建了一种用于尿酸检测的双模式传感器。尿酸被尿酸酶分解为Allantoin 和 H₂O₂。FeCo NFs-NH₂ 催化 H₂O₂ 生成活性氧（ROS），这些活性氧将无色的 o-苯二胺（OPD）氧化为黄色物质，导致 450 nm 处的 UV-Vis 吸收和 560 nm 处的荧光强度显著增加。同时，FeCo NFs-NH₂ 在 470 nm 处的荧光通过内部滤光效应（IFE）和光诱导电子转移（PET）逐渐被 DAP 破坏。基于这一原理，尿酸浓度与荧光强度比（I₅₆₀/I₄₇₀）和吸光度（A₄₅₀）之间存在强线性关系。基于 FeCo NFs-NH₂ 的双模式检测方法（比率荧光法和比色法）成功开发并应用于实际样品（包括人血清和尿液）中的尿酸快速定量分析，取得了满意的结果。此外，在荧光和比色测试中，智能手机被用作强大的工具，能够快速将高质量数字图像转换为颜色强度数据，实现了便携、无需仪器且高灵敏度的尿酸检测。

化学物质和试剂

本研究中使用的仪器和试剂详见补充材料。

FeCo NFs-NH₂ 纳米花的合成

在典型的实验过程中，将 0.1 mmol Co(NO₃)₂·6H₂、0.1 mmol Fe(NO₃)₃·9H₂ 和 8 mL 甘油溶解在 40 mL 异丙醇中，搅拌 30 分钟，得到透明粉红色溶液。然后将混合物转移到特氟龙内衬的高压釜中，在 180°C 下加热 6 小时。离心后收集棕色产物（FeCo NFs），用乙醇洗涤并过夜干燥。

FeCo NFs 和 FeCo NFs-NH₂ 的表征

如图 1a 所示，使用 Fe(NO₃)₃·9H₂ 和 Co(NO₃)₂·6H₂ 作为铁和钴源，通过一步水热法合成了不同金属比例的 FeCo NFs。当选择最佳摩尔比为 1:2 时，前体被溶解在甘油和异丙醇的混合溶剂系统中。通过后续的溶剂热反应成功制备了高度均匀的纳米花结构。SEM 表征结果（图 S1a）表明

结论

通过溶剂热法成功合成了具有可调纳米酶活性的 FeCo NFs。选择了最佳金属比例的 NFs 用于 FeCo NFs-NH₂ 的制备，并用于检测人体尿酸。制备的纳米酶经过系统表征，其结构通过多种分析技术得到确认。与天然酶相比，FeCo NFs-NH₂ 纳米酶表现出更优异的稳定性、良好的催化性能、简单的制备过程和低成本。

CRediT 作者贡献声明

程 Rou：撰写 – 原稿撰写、方法学设计、概念构思。 郭子怡：数据分析、数据整理。 肖正月：软件开发。 余博文：实验研究。 唐晓敏：资源获取、数据整理。 徐鹏：验证、监督。 邱平：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理。

符合伦理标准

本研究得到了江西医学院伦理委员会的批准，并严格遵循了他们的指导原则。研究中使用的血清样本来自痛风患者。所有参与者均签署了知情同意书。

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所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号 21765015、21808099）和中国南昌大学食品科学与资源国家重点实验室开放项目计划（项目编号 SKLF-KF-202416）的资助。作者感谢南昌大学的 Di Gao 在理论计算方面的帮助。