将金纳米颗粒（AuNPs）限制在中孔金属有机框架（mesoporous MOFs）上，以提高催化活性，并实现对L-半胱氨酸的可视化监测

《Inorganic Chemistry Communications》：Confining AuNPs on mesoporous MOFs towards enhanced catalytic activity for visual monitoring of L-cysteine

纳米酶催化性能提升与L-半胱氨酸检测应用研究。通过机械研磨法将UiO-66-NH2（MU）孔径扩大至11.3 nm，实现Bro@AuNPs的精准表面限域，使过氧化氢酶-like催化活性提高2.74倍。基于MU-Bro@AuNPs-TMB-H2O2体系的检测方法线性范围2-12 μM（R2=0.994），检测限0.11 μM，成功应用于唾液L-半胱氨酸检测。

　　

Bowen Zhou|Li Qi|Yutong Liu|Yushi Zhou|Juan Qiao

北京石油化工技术学院新材料与化学工程学院，北京 102617，中国

摘要

控制孔径大小被认为是开发高性能MOFs-AuNPs基纳米酶的关键目标。然而，通过机械研磨实现这一目标的情况非常罕见。在此，我们建立了一种通过机械研磨溴蛋白酶修饰的AuNPs（Bro@AuNPs）来制备介孔UiO-66-NH₂（MU）的方案。特别是与未研磨的U-Bro@AuNPs复合材料相比，MU-Bro@AuNPs复合材料的过氧化物酶样催化活性提高了2.74倍（K_cat值）。这种增强效果得益于Bro@AuNPs孔径扩大到11.3纳米所导致的纳米限制效应。此外，我们建立了一种基于MU-Bro@AuNPs-3,3′,5,5′-四甲基联苯胺-H₂O₂系统的比色法，用于检测唾液样本中的L-半胱氨酸。L-半胱氨酸浓度与650纳米处的UV–vis吸收值之间存在线性关系（R² = 0.994），检测限为0.11微摩尔。本研究为解决微孔MOFs-AuNPs复合材料催化活性低的问题提供了新的见解，并为设计先进的介孔MOFs-AuNPs复合材料开辟了新途径，使其能够增强复合材料的酶样催化活性，从而应用于实际样品的生物传感。

引言

近年来，为了克服天然酶的固有局限性，人工催化材料（即纳米酶）因其优异的酶模拟活性、显著的稳定性、高可调性和低成本而受到广泛关注，使其在生物催化和生物传感领域具有广阔的应用前景[1]、[2]。特别是MOFs-AuNPs复合材料在纳米酶候选材料中脱颖而出，因为它们结合了可调的局域表面等离子体共振、生物相容性、易于功能化的金纳米粒子（AuNPs）以及金属有机框架（MOFs）的均匀多孔性和可调节结构[3]。

目前，已经设计、制备并应用了许多种MOFs-AuNPs复合材料作为高效的纳米酶[4]。例如，通过Zr₆簇与Fe(II)介孔四羧基苯酚的配位作用，以及在PCN-224(Fe)通道中原位生长超小AuNPs的方法，合成了双功能PCN-224(Fe)-AuNPs基纳米酶[5]。PCN-224(Fe)模拟了辣根过氧化物酶的催化活性，其中AuNPs表现出葡萄糖氧化酶样的活性，将葡萄糖转化为过氧化氢并激活3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）。在另一项研究中，构建了将AuNPs固定在Fe基MOFs上的MOFs(Fe)-AuNPs复合材料[6]，这种复合材料在H₂O₂存在下加速了活性氧（ROS）的生成，表现出增强的过氧化物酶（POD）样催化活性。此外，还通过顺序刻蚀制备了AuNP修饰的ZIF-67蛋黄壳复合材料，ZIF-67-AuNPs复合材料在TMB氧化过程中表现出增强的氧化酶样催化活性，这得益于复合材料内部各组分的协同效应[7]。具体来说，通过氨基将AuNPs组装在2D或3D MOFs(Zn)上，制备了两种类型的杂化复合材料。3D MOFs(Zn)-AuNPs复合材料在分解H₂O₂为更具毒性的•OH自由基方面表现出更高的POD样活性，并且能够提供足够的O₂[8]。然而，目前开发的MOFs具有微米级孔径和狭窄的通道，这限制了催化反应物/产物的扩散，以及MOFs晶体内部活性位点的利用，导致MOFs-AuNPs复合材料的催化效率较低[9]。

为了提高MOFs-AuNPs复合材料的酶模拟催化活性，人们付出了巨大努力来调节其纳米结构。在所有结构中，介孔MOFs通常具有更短的扩散路径，因而表现出优越性[9]。特别是，多孔MOF网络结构提供的纳米限制效应可以提升其催化性能[10]。通过酸[11]/碱性/有机溶剂[12]刻蚀或加热[13]、[14]结合MOFs的固有特性，为提高MOFs-AuNPs复合材料的催化活性提供了新的可能性。例如，在40℃下酸刻蚀0.5小时后，获得了具有改进催化效率的介孔ZIF-8-AuNPs复合材料[13]。在另一项研究中[14]，通过在320℃下加热2.0小时成功制备了介孔AuNPs@ZIF-8复合材料。介孔结构加快了反应物的扩散速率，缩短了反应路径，从而提高了它们的催化活性和选择性。然而，这些介孔结构的制备方法通常需要高温处理或酸/碱性/有机溶剂刻蚀，这对生物催化并不有利，也带来了挑战。

在本研究中，我们通过将溴蛋白酶修饰的AuNPs（Bro@AuNPs）限制在MU的表面壳层上，制备了介孔UiO-66-NH₂（MU）-Bro@AuNPs复合材料。特别是，通过机械研磨制备了表面壳层孔径较大的MU。MU-Bro@AuNPs复合材料在H₂O₂存在下表现出POD样催化活性，孔径的扩大提供了纳米限制效应，促进了反应物/产物的扩散，从而显著提高了催化活性。我们探讨了相关原理。此外，所制备的复合材料-TMB-H₂O₂系统被用于检测唾液样本中的L-半胱氨酸（L-Cys），因为L-Cys在维持细胞内氧化还原平衡和调节多种生理过程中起着关键作用[15]。这为制备具有增强催化活性的介孔MOFs-AuNPs复合材料提供了一种通用方法。

实验部分

实验

所有化学品、仪器、动力学方程式和L-Cys检测程序详见支持信息。

MU-Bro@AuNPs复合材料的表征

采用水热法合成以溴蛋白酶（Bro）作为 capped剂和还原剂来还原Au(III)离子，制备Bro@AuNPs（图1A）。为了解决传统刻蚀方法的局限性，开发了一种简单的机械研磨方法来制备MU纳米颗粒（图1B）。随后，通过超声将Bro@AuNPs加载到MU的表面壳层上，制备了MU-Bro@AuNPs复合材料（图1B）。

监测了U、MU和MU-Bro@AuNPs复合材料的形态

结论

我们建立了一种通过机械研磨扩大U的孔径大小，将Bro@AuNPs限制在U的表面壳层上的方法，制备了MU-Bro@AuNPs复合材料。值得注意的是，通过控制研磨时间可以精确调节U的孔径大小。有趣的是，Bro@AuNPs能够在MU表面壳层的介孔中得到原位限制，MU-Bro@AuNPs复合材料表现出优异的POD样催化活性。与微孔U-Bro@AuNPs复合材料相比，

CRediT作者贡献声明

Bowen Zhou：撰写初稿、验证、方法学研究。Li Qi：撰写、审稿与编辑、监督、方法学研究、资金申请。Yutong Liu：方法学研究。Yushi Zhou：方法学研究、实验研究。Juan Qiao：撰写、审稿与编辑、监督、方法学研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号22274159）的支持。作者感谢Chang-Yan Cao教授、Kai-Xin Zhou博士、Nasir Ali博士和Shidi Zhang先生的帮助。

Bowen Zhou 目前正在北京石油化工技术学院攻读硕士学位，并在ICCAS会议上展示了关于基于MOFs@AuNPs复合材料的纳米酶在生物应用方面的研究成果。