LaFeO?/g-C?N?异质结构纳米酶具有增强的过氧化物酶类似活性，可用于四环素的比色检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：LaFeO 3/g-C 3N 4 heterostructure nanozyme with enhanced peroxidase-like activity for colorimetric detection of tetracycline

高效检测四环素的新材料LaFeO3/g-C3N4异质结构纳米酶的合成与应用，

　　

肖书燕|刘静|康明琴|刘思怡|董中平

内蒙古科技大学材料科学与工程学院，包头 014010，中国

摘要

食品和环境中的四环素（TC）残留物对健康构成严重威胁，因此需要高效的检测方法。本文通过原位生长法制备了一系列具有不同LaFeO₃与尿素比例的LaFeO₃/g-C₃N₄（LFCN）异质结构纳米酶。结构表征证实了异质结构的成功形成，LaFeO₃纳米颗粒均匀分散在g-C₃N₄纳米片上。在这些复合材料中，LFCN-20（LaFeO₃与尿素的比例为1:20）表现出最高的过氧化物酶活性，并且米氏常数低于天然辣根过氧化物酶。它能有效催化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）在H₂O₂作用下的氧化反应，生成吸收峰位于652 nm的蓝色产物。值得注意的是，在TC存在下，吸光信号显著增强。基于这一效应，构建了一种比色传感器，对TC的检测范围为0.25至2.50 μg/mL，检测限低至0.076 μg/mL，在添加TC的鸡蛋样品中回收率达到了93.9%–108.2%。这些发现表明LaFeO₃/g-C₃N₄纳米酶在灵敏且选择性检测四环素方面具有潜力，为确保食品安全提供了一种实用方法。

引言

四环素（TC）因其广谱疗效和成本效益，在兽医和人类医学中是最常用的抗生素之一[1]、[2]。然而，TC会在食品、人体和环境中持续存在，对人类健康构成威胁，并导致水污染和土壤积累等环境问题[3]。长期或过量使用TC还会加速抗菌素耐药性的发展，从而限制其临床效果，对全球公共卫生构成严重威胁[4]。因此，开发高度灵敏、选择性和快速的TC检测策略非常重要。

目前有多种分析技术可用于TC检测，每种技术都有其优点和局限性。色谱方法（如高效液相色谱法[HPLC] [5]和液相色谱-质谱法[LC-MS] [6]）因其高准确性而受到青睐，但往往受到昂贵仪器和繁琐预处理的限制[7]。其他常见技术包括免疫测定[8]、[9]、电化学传感器[10]和基于荧光的方法[11]，可以实现高灵敏度。然而，这些方法通常需要多步骤操作、复杂的电极制备或专用光学设备。使用天然酶的传统比色测定法操作简便且能实现视觉检测，但由于酶的不稳定性、环境敏感性和高成本而限制了其实际应用[12]、[13]。

为了克服基于天然酶的测定的局限性，基于纳米酶的比色传感器因其模仿酶的催化活性、优异的稳定性和可调性质而成为有前景的抗生素检测工具[14]、[15]、[16]。已有多种纳米酶系统被用于TC检测。例如，具有天然过氧化物酶活性的硼烯量子点利用TMB和ABTS作为显色底物，实现了TC的比色检测，检测限（LOD）为1.02 μM[17]。一种采用铜基漆酶模拟纳米酶的双模式传感系统在比色模式下实现了TC的检测，检测限为0.27 μM[18]。类似地，具有过氧化物酶活性的铁配位碳点（CDs-Fe）也实现了TC的检测，检测限为1.34 μM[19]。这些方法方便且稳健，但其灵敏度仍有限，主要是由于纳米酶催化活性的内在限制。

具有ABO₃结构的钙钛矿型氧化物因其可调的电子结构和丰富的氧化还原活性位点而受到关注[20]。其中，LaFeO₃具有天然的过氧化物酶活性，可以催化H₂O₂介导的显色底物（如TMB）的氧化，生成活性氧（ROS），从而引发比色反应[21]。然而，其催化性能受到表面积小和活性位点暴露不足的限制。通过元素掺杂等成分修饰可以调节LaFeO₃的电子结构，从而提高其催化活性。尽管如此，这种改进通常较为有限，这表明需要其他策略来进一步提高其催化效率。

构建异质结构已被证明是一种有效的策略。基于碳的纳米材料（包括碳点和石墨氮化物g-C₃N₄）可以显著促进电荷转移并提高催化效率[22]。特别是g-C₃N₄具有独特的二维层状结构、丰富的表面官能团、易于制备和优异的化学稳定性，使其成为构建异质结构的理想平台[23]、[24]、[25]。光催化研究表明，LaFeO₃/g-C₃N₄复合材料可以增加LaFeO₃

在本研究中，通过原位生长策略设计并合成了LaFeO₃/g-C₃N₄异质结构纳米酶，其过氧化物酶活性显著增强。优化的复合材料LFCN-20被用于构建TC检测的比色传感平台。如图1所示，在H₂O₂存在下，LFCN-20催化TMB的氧化，生成特征吸收峰位于652 nm的蓝色产物。加入TC后，其芳香环通过π–π堆叠与g-C₃N₄相互作用，使TC分子靠近复合材料表面。同时，TC的氨基和羧基与LaFeO₃中的Fe³⁺位点结合，促进活性氧（ROS）的生成，进一步加速TMB的氧化。这种相互作用导致溶液的蓝色强度和652 nm处的吸光度显著增加，从而实现了对TC的灵敏和选择性检测。

试剂和材料

六水合硝酸镧（La(NO₃)₃·6H₂O，99%，CAS 10277–43-7），九水合硝酸铁（Fe(NO₃)₃·9H₂O，98.5%，CAS 7782-61-8），3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB，98%，CAS 64285–73-0），柠檬酸（≥99.5%，CAS 77–92-9），乙二醇（99%，CAS 107–21-1），阿洛西林钠（99%，CAS 37091–65-9）和对苯醌（PBQ，99%，CAS 106–51-4）购自上海麦克林生化科技有限公司。尿素（99.5–100.5%，CAS 57–13-6）和卡那霉素（USP，CAS 25389–94-0）也用于实验。

XRD和FT-IR表征

LaFeO₃、g-C₃N₄和LFCN复合材料的晶体结构通过XRD进行分析，结果如图1a所示。纯LaFeO₃在2θ = 22.60°、32.18°、39.67°、46.14°、57.39°、67.34°和76.63°处显示出特征峰，分别对应于（101）、（121）、（220）、（202）、（240）、（242）和（204）晶面，属于正交钙钛矿结构（JCPDS No. 37–1493）。纯g-C₃N₄在27.6°处显示强衍射峰，在13.0°处显示较弱峰。

结论

本研究通过原位生长策略成功制备了一系列LaFeO₃/g-C₃N₄异质结构纳米酶，其过氧化物酶活性得到增强。其中，LFCN-20表现出优异的催化性能，能够在低浓度范围内实现对四环素的灵敏和选择性比色检测，具有较低的检测限，并在添加TC的鸡蛋样品中获得了满意的回收率。这些结果表明，这种广泛研究的光催化材料

CRediT作者贡献声明

肖书燕：概念构思、资金获取、监督、写作-审稿与编辑。刘静：数据管理、方法学、数据分析、可视化、验证、初稿撰写。康明琴：监督、写作-审稿与编辑。刘思怡：方法学、项目管理。董中平：监督、资源提供。

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[21663017]；内蒙古自治区自然科学基金[2022LHMS02003]；以及内蒙古科技大学的基础研究基金[2023QNJS020]的支持。