《Biosensors and Bioelectronics》：Neocuproine boosting catalytic activity of copper-based metal-organic frameworks for sensitive colorimetric immunosensor
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纳米酶催化活性提升与免疫传感器构建：通过邻苯二酚氧化酶模拟的Cu-MOFs材料在Nc辅助下催化活性增强2.8-23.6倍，并触发亚铜离子显色反应，实现5分钟内检测 AFP（5-100 ng/mL，LOD 1.4 ng/mL），成功应用于血清样本分析。
丹丽|刘月琪|张宇辰|黄子佳|牛一帆|李娜|王兴华|陈晓明|陈茂清|赵勇
东北大学秦皇岛分校智能传感与光电工程学院，微纳精密光学传感与测量技术河北省重点实验室，中国秦皇岛066004
摘要
金属有机框架（MOFs）纳米酶作为天然酶的替代品具有很大的潜力，但其催化活性和效率仍不足以满足实际免疫传感应用的需求。本文提出了一种利用新杯酮（Nc）增强Cu-MOFs催化活性的策略，并将其应用于开发快速高效的比色免疫传感器。在Nc的辅助下，Cu-MOFs的多水解酶模拟催化能力提高了2.8至23.6倍。同时，底物水解过程中产生的还原剂能够原位将Cu(II)还原为Cu(I)，形成高显色的Cu(I)-Nc螯合物，用于比色分析。本文系统探讨了这一级联反应的机理。作为概念验证，使用甲胎蛋白（AFP）验证了所提出免疫传感器的可行性和实用性。该传感器的分析性能令人满意：检测范围为5-100 ng/mL，检测限（LOD）为1.4 ng/mL，检测时间为5分钟。此外，该传感器还成功应用于实际血清样本的分析。值得注意的是，Cu-MOFs集成了催化底物水解、信号放大和显色输出功能，实现了简单快速的传感。此外，苯并蒽辅助的Cu-MOFs系统的成功实现为纳米酶催化和临床免疫检测提供了新的见解。
引言
酶联免疫吸附测定（ELISA）作为一种最流行的免疫分析方法，具有优异的特异性、信号放大能力和直观的读数结果，因此在体外诊断、食品安全和环境分析中得到了广泛应用（Kassir等人，2024；Xia等人，2025；Xiong等人，2020）。天然酶标记的抗体通常是通过将特定抗体与酶共价连接制备的。然而，由于酶本身的脆弱性，在恶劣条件或共价过程中酶活性容易减弱（Huang等人，2023；Li等人，2023）。此外，天然酶的制造和纯化成本也较高。因此，人们一直在努力有效保护或替代天然酶（G?k?al等人，2020；Liu等人，2024）。
近年来，金属有机框架（MOFs）作为生物分子和纳米酶的载体材料受到了越来越多的关注，因为它们具有可控的孔隙率/形态、高比表面积、简单的制备方法和易于功能化的优点（Kahn等人，2017；Yuan等人，2018）。通过分隔和底物通道化，MOFs可以将生物分子与恶劣环境隔离开来，从而维持或增强其活性（Xu等人，2021），而与天然酶（如葡萄糖氧化酶、漆酶、辣根过氧化物酶）的结合进一步提高了酶的催化活性和稳定性（Cheng等人，2020b；Su等人，2022；Xia等人，2021）。值得注意的是，MOFs与天然酶在结构上的相似性赋予了它们酶模拟特性，使其成为有前景的纳米酶候选材料——这类材料相比天然酶具有更好的稳定性、便利性、耐用性和成本效益（Chen等人，2023；Qiu等人，2025；Yang等人，2024）。MOFs的催化性能主要依赖于金属-配体结合位点：金属节点（Ce、Zr、Cu等）赋予酶模拟活性，而有机配体（尤其是芳香化合物如对苯二甲酸、四（4-羧基苯基）卟啉）则作为电子媒介（Chandio等人，2023）。它们开放的孔隙/通道增强了活性位点的可及性，金属节点/配体的有序排列确保了活性位点的均匀分布。
在MOFs中，Cu-MOFs（由Cu+/Cu2+和有机连接器配位）在生物应用中尤为突出，因为铜赋予了特定的催化活性、生物分子亲和性和内在的酶模拟特性（Sun等人，2021）。此外，铜的低成本、易获得性以及灵活的氧化还原/配位化学性质（可实现Cu2+/Cu+的可逆转换）使得Cu-MOFs非常适合用于生物传感器的制备（Cun等人，2022；Li等人，2024）。而且，Cu-MOFs可以在常温绿色条件下一步合成，并通过仿生矿化同时加载生物分子，促进生物分析中的原位级联反应以实现信号放大（Cheng等人，2020a）。然而，MOF纳米酶的催化活性不足仍然是其生物应用的主要限制。
提高MOF纳米酶催化活性的典型策略集中在调节金属节点和配体上。通过掺杂杂原子来制备杂金属有机框架是一种传统方法，这种方法可以利用协同效应来改善催化性能（Liu等人，2023；Shi等人，2024）。然而，由于相关的复杂因素和反应过程，这类杂金属框架的设计和合成仍然较为复杂。此外，引入含金属的活性配体和修饰配体官能团也可以调节MOF纳米酶的活性（Feng等人，2012；Li等人，2020；Wu等人，2021）。多酶类似纳米酶表现出更高的效率、灵活性和智能性，从而更好地满足多样化的应用需求（Sheng等人，2024）。因此，探索提高MOF纳米酶催化性能的新策略对于生物传感领域具有重要意义。
本文引入了一种苯并蒽衍生物——新杯酮（Nc，即2,9-二甲基-1,10-苯并蒽）来增强多水解酶模拟Cu-MOFs的催化活性，并构建了一个级联信号放大系统，用于快速灵敏的比色免疫传感器。在这种策略中，Nc与MOFs中的Cu中心强烈配位，显著增强了其催化活性；催化过程中产生的还原剂进一步引发了Cu(II)的原位还原为Cu(I)，形成高显色的Cu(I)-Nc螯合物，用于比色分析。Nc使Cu-MOFs的催化水解能力提高了2.8至23.6倍。选择Nc作为增强剂的三个理由是：（ⅰ）Nc是一种选择性的铜显色试剂，能形成稳定的螯合物，其2,9-二甲基取代基的立体障碍有效抑制了铁和其他过渡金属的干扰（Dalmieda等人，2021）；（ii）非显色的Nc-Cu(II)复合物在加入分析物后会发生级联反应，生成显色的Nc-Cu(I)螯合物，这种机制非常适合生物免疫检测应用（?zyürek等人，2011）；（iii）Nc的紧凑分子结构和最小的立体障碍使其能够渗透到MOF孔隙中，从而增强Cu-MOF的活性，优于其他类似试剂。作为原理验证，使用甲胎蛋白（AFP）作为分析物。制备了多功能抗AFP@Cu-MOFs来验证基于Nc介导的Cu-MOFs催化系统的性能（图1）。该传感器表现出优异的效率、快速性和灵敏度。这种苯并蒽辅助的Cu-MOFs催化为纳米酶催化和免疫检测提供了新的见解，显示出在免疫学研究和临床诊断中的潜力。
材料与方法
有关化学试剂和仪器的详细信息见支持信息。
抗AFP@Cu-MOFs的表征
通过将铜离子引入Na2BDC和抗AFP抗体的混合溶液中，通过温和的生物矿化过程制备了抗AFP@Cu-MOFs（图1a）。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像显示，Cu-MOFs和抗AFP@Cu-MOFs均呈现出类似海胆的形态，平均直径分别为约662 nm和约687 nm（图1b-e）。与高度有序的Cu-MOFs相比，抗AFP@Cu-MOFs的规则性略低。
结论
总之，我们开发了一种基于苯并蒽衍生物Nc辅助的Cu-MOFs纳米酶催化策略，显著增强了Cu-MOFs的催化活性，并实现了比色免疫传感器的级联信号放大。Nc将Cu-MOFs对各种底物的催化能力提高了2.8至23.6倍，Cu-MOFs纳米酶具有三重优势：放大识别信号、水解底物和触发比色信号。
CRediT作者贡献声明
黄子佳：软件、验证。李娜：方法学、撰写-审稿与编辑、验证。牛一帆：软件、验证。丹丽：概念构思、形式分析、方法学、撰写-初稿。陈晓明：资金获取。王兴华：方法学、验证。赵勇：资金获取、项目管理、资源协调、监督、撰写-审稿与编辑。陈茂清：资金获取。张宇辰：数据管理、实验研究。刘月琪：数据管理
利益冲突声明
作者声明本文的发表不存在任何利益冲突。
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工作。
致谢
我们衷心感谢东北师范大学化学系的郑广范对机制分析的贡献。本研究得到了国家自然科学基金（编号62475041、62304034、62205051）、河北省自然科学基金（编号F2024501044）以及中央高校基本科研业务费（编号N2423029）的支持。
