三金属Mn/Ni/Fe-MOF作为一种过氧化物酶模拟纳米酶，用于亚硝酸盐的比率色度传感

开发了一种基于三金属框架（Mn/Ni/Fe-MOF）的比率颜色测定传感平台，用于亚硝酸盐检测。通过简便的一锅溶剂热法合成，该纳米酶展现出显著增强的过氧化氢酶样活性，检测限低至1.39 μM，线性范围2.0–150 μM，并利用内置参考机制实现复杂基质中的高精度自校正检测，适用于现场应用。

　　

王书瑜|牛银红|胡芳迪

中国药科大学药学院，南京211198，中华人民共和国

摘要

开发了一种用于检测亚硝酸盐的比率色度传感平台，该平台采用了一种简便的一锅法溶剂热合成技术，制备了一种三金属金属框架（MOF）纳米酶（Mn/Ni/Fe-MOF）。综合表征表明其成功制备并具有优异的结构性能。三金属系统的合理设计形成了协同电子转移网络，使其具有显著增强的过氧化物酶样活性，超过了单金属（Fe-MOF）和双金属（Mn/Fe-MOF和Ni/Fe-MOF）对应物。这一进展使得亚硝酸盐的检测限低至1.39 μM，并且线性范围宽达2.0–150 μM，提高了基于纳米酶的色度方法的灵敏度。利用这种高活性，Mn/Ni/Fe-MOF催化H₂O₂将无色的3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）氧化为蓝色产物（oxTMB）。随后，基于亚硝酸盐与oxTMB之间的特定重氮化反应构建了一个稳健的比率平台（A₄₅₀/A₆₅₂），该反应引起了明显的颜色变化和吸光度变化。与容易受到干扰的单信号检测方法不同，这种内部参考机制可以自动校正常见干扰，确保在复杂样品（如自来水和香肠）中的高准确性和可靠性，实际样品的回收率达到了97.9%–102.3%。整个系统具有显著的简单性：纳米酶通过简便的一锅法合成，检测只需在温和酸性条件下向预先形成的oxTMB体系中加入亚硝酸盐。这种简化的“混合即检测”方案避免了复杂的修饰、多步骤反应或精密仪器，为潜在的现场应用提供了实际优势。本研究提出了一种可靠的高性能传感策略，并强调了多金属MOF纳米酶在设计先进传感器方面的巨大潜力。

引言

亚硝酸盐是一种常见的无机化合物，含有亚硝酸根阴离子（NO₂^?），在自然环境中广泛存在。作为一种批准使用的食品添加剂，它被广泛应用于食品加工行业，以抑制腐败和致病微生物的生长，并改善食品的颜色和风味[1]、[2]。然而，过量摄入亚硝酸盐对人类健康构成严重风险，包括组织缺氧、高铁血红蛋白血症、食道癌、中枢神经系统缺陷、自然流产等不良影响[3]、[4]。鉴于这些危害，世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会（JECFA）将亚硝酸盐的每日可接受摄入量定为0.07 mg·kg^?1[5]。全球已建立了严格的规定，例如世界卫生组织和中国国家标准GB 5749–2022将饮用水中的亚硝酸盐最大限值定为1 mg L^?1

已经采用了多种基于不同原理的分析技术来检测亚硝酸盐，包括电泳[6]、色谱[7]、电化学[8]、荧光法[9]和色度法[10]。最近的进展进一步提高了色度测定的灵敏度。例如，最近报道的一种利用光驱动机制的直接色度方法实现了0.1 μM的出色检测限[11]。然而，传统的单信号色度测定方法通常抗干扰能力较差。相比之下，比率或多信号策略作为一种有前景的替代方案出现，因为它们利用内置校准来最小化环境影响并显著提高准确性[12]。代表性例子包括基于棒状锰基金属有机框架（Mn-MOFs）的比率色度探针，其在干扰物种存在下表现出高选择性和灵敏度，通过吸光度比A₆₅₂/A₄₆₁实现[13]；以及一种将石墨烯量子点嵌入琼脂糖水凝胶基质中制成的便携式双模式水凝胶传感器，能够进行比率荧光和色度亚硝酸盐监测[14]。因此，多信号传感代表了提高亚硝酸盐检测实用性的一个有前途的方向。

同时，具有酶模拟活性的纳米酶（nanozymes）的出现为生物传感提供了强大的催化工具[15]、[16]。自从2007年首次报道Fe₃O₄纳米颗粒表现出内在的过氧化物酶样性质以来，纳米酶已被广泛用于传感平台中的信号放大[17]、[18]。已经报道了几种基于纳米酶的亚硝酸盐传感器。例如，冯等人使用铂纳米粒子修饰的黄麻纤维（Pt/MJT）作为过氧化物酶模拟物，催化无色的3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）氧化为蓝色产物（oxTMB），通过652 nm处的单一吸光度信号实现亚硝酸盐的色度检测[19]。岳等人合成了一种具有优异过氧化物酶样活性的Ce-Mn@CoOOH纳米酶，并开发了一种用于亚硝酸盐检测的比率色度方法[20]。这种方法基于在酸性条件下oxTMB的重氮化反应，导致652 nm处吸光度下降，450 nm处吸光度上升，从而可以使用A₄₅₀/A₆₅₂比值进行定量。尽管取得了这些进展，但由于纳米酶的催化活性和选择性有限，其广泛应用仍然受到限制。因此，开发高性能纳米酶对于推进传感器技术至关重要。

金属有机框架（MOFs）是由金属离子和有机配体通过配位和自组装形成的多孔晶体纳米材料，由于其结构可调性和明确的活性位点，作为纳米酶候选材料显示出巨大潜力[21]、[22]。它们的酶样性质源于它们能够模拟天然酶的关键特征：活性金属中心、底物结合口袋和可定制的微环境。MOFs中的金属节点充当催化中心，类似于金属酶中的金属离子，如过氧化物酶中的铁和超氧化物歧化酶中的铜/锌。有机配体可以引入作为催化位点和质子转移通道的功能基团，或与金属节点协作形成催化三联体，类似于酶活性口袋。值得注意的是，多金属掺杂可以通过不同金属之间的电子相互作用产生更高效的纳米酶，利用它们不同的电子结构、氧化还原电位和路易斯酸碱特性[23]。例如，掺锰的Fe-MIL-53与其单金属对应物相比表现出增强的催化性能[24]。尽管取得了这些进展，大多数报道的多金属MOF纳米酶仍限于单金属或双金属系统，它们集成到自校准的比率传感平台中的研究仍然不足。合理设计结合了优异催化活性和内置信号校正的三金属MOF纳米酶，代表了推进实际传感应用的一个有价值但具有挑战性的前沿。

在这项工作中，通过开发一种新型的三金属MOF基纳米酶和简化的亚硝酸盐检测比率传感平台，填补了这一空白。核心创新有两个方面。首先，在材料设计方面，通过简便的一锅法溶剂热路线合成了三金属Mn/Ni/Fe-MOF。选择Mn、Ni和Fe是基于协同催化的深思熟虑的设计。Fe提供了基本的Fe-MIL-88B框架和过氧化物酶模拟基础。锰的多价性（Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺在文献中被证明可以作为一种有效的氧化还原穿梭剂，促进Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原循环，并在双金属系统中促进自由基生成[25]、[26]、[27]。镍因其优异的电子导电性而被引入，可以加速界面电子转移并增强基于MOF的纳米酶的过氧化物酶样活性[28]、[29]、[30]。这种三重组合被认为会产生优于单金属和双金属系统的活性。其次，在传感方法方面，构建了一个稳健且用户友好的比率测定方法。与复杂的多步骤协议不同，所提出的系统只需在预先形成的oxTMB中加入亚硝酸盐即可。这会触发特定的重氮化反应，产生明显的颜色变化和内置的自校准信号（A₄₅₀/A₆₅₂），从而提高了稳健性和简单性。

本文报道了使用2-氨基对苯二甲酸（NH₂-BDC）作为配体合成三金属Mn/Ni/Fe-MOF的方法，该方法采用了Fe-MIL-88B的基本结构，并掺入了Mn和Ni（制备过程如图1a所示）。如图1b所示，Mn/Ni/Fe-MOF催化H₂O₂将无色的TMB氧化为蓝色的oxTMB，在652 nm处产生强烈的吸收峰。随后，亚硝酸盐（目标分析物）在酸性条件下与oxTMB发生特定的重氮化反应，导致颜色从蓝色变为绿色，652 nm处的吸光度下降，450 nm处的吸光度上升。这种明显的信号转变构成了高灵敏度和自校准的比率测定（A₄₅₀/A₆₅₂）的基础。这项工作不仅提出了一种高性能的亚硝酸盐传感器，还验证了所提出的双重创新策略，展示了一种用于实际传感的高级多金属MOF纳米酶的设计方法。

材料

亚硝酸钠（NaNO₂）、TMB、NH₂-BDC、乙酰丙酮酸镍（Ni(acac)₂、L-色氨酸（Trp）和p-苯醌（PBQ）从上海麦克林化学试剂有限公司（中国上海）购买。六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）从天津双峰化学试剂厂（中国天津）购买。醋酸钠（CH₃COONa）从天津光复科技发展有限公司（中国天津）获得。

材料表征

单金属、双金属和三金属MOFs是通过一锅法溶剂热方法合成的，使用Mn²⁺、Ni²⁺和Fe³⁺作为金属源，NH₂-BDC作为有机配体。SEM分析用于检查不同金属离子掺入后MOF晶体的形态演变。如图2a所示，单金属Fe-MOF显示出纺锤形（类似梭子）的形态，并伴随着许多不规则的纳米颗粒。这种观察到的形态与文献中的描述非常一致

结论

总之，通过一锅法溶剂热成功合成了具有优异过氧化物酶样活性的三金属Mn/Ni/Fe-MOF。其混合价结构（Fe²⁺/Fe³⁺、多价Mn物种和Ni²⁺）内的协同作用被认为是其催化性能优于单金属和双金属对应物的关键因素。基于纳米酶催化的TMB氧化和随后的特定重氮化反应，开发了一种稳健的比率

CRediT作者贡献声明

王书瑜：撰写——原始草案、方法学、数据管理。牛银红：撰写——审阅与编辑、方法学、形式分析。胡芳迪：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了甘肃省科技项目（25ZDFA001）和内蒙古自治区科技计划（2025YFHH0229）的支持。