基于含有铂纳米酶的缺陷PCN-224 MOF的乙酰胆碱酯酶和有机磷农药抑制剂的高效电化学/光热双模式传感策略

《Microchemical Journal》：Homogeneous electrochemical/photothermal dual-mode sensing strategy of acetylcholinesterase and organophosphorus pesticide inhibitor based on defective PCN-224 MOF loaded with platinum nanozyme

　　

张书豪|周哲|易颖辉|朱刚兵

江苏大学环境与安全工程学院，镇江重点实验室，水处理技术与材料协同创新中心，中国镇江212013

摘要

开发简单、低成本的检测方法，能够同时定量乙酰胆碱酯酶（AChE）及其抑制剂，对于保护人类健康和生态系统至关重要。为满足这一需求，我们首先设计了一种含有铂纳米粒子（d-PCN/Pt）的缺陷PCN-224 MOF，这种纳米酶具有类似氧化酶的特性，可以高效催化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）的氧化，生成氧化后的TMB（oxTMB）。利用TMB作为电化学信号探针，oxTMB作为光热响应探针，我们随后提出了一种创新的均相电化学和光热（HEC/PT）双模式策略，用于检测AChE和有机磷农药（OPs），后者是一类主要的AChE抑制剂。在检测AChE时，该策略通过形成Pt–S键，利用硫代胆碱（AChE对乙酰胆碱的酶解产物）对d-PCN/Pt纳米酶的活性产生抑制作用。在检测OPs时，基于OPs对AChE活性的抑制作用，构建了一个级联放大的HEC/PT检测系统。经过优化后，该传感器对这两种目标均表现出宽的线性范围和低的检测限。此外，其实际应用效果通过满意的回收率和在真实样品分析中的稳定性能得到了验证。我们认为这种新颖的级联HEC/PT传感策略对于同时测定AChE及其抑制剂具有很大的潜力，将激发进一步的探索，并成为可靠、低成本、高灵敏度的实际检测工具。

引言

乙酰胆碱酯酶（AChE）是神经冲动传递中的关键酶，负责在胆碱能突触中水解乙酰胆碱（ATCh）。通过终止神经递质对突触后膜的兴奋作用，AChE确保了神经信号在整个机体中的精确传递[1]，[2]。脑内ATCh水平降低与多种神经退行性疾病（如帕金森病和阿尔茨海默病）的发病机制密切相关[3]。因此，自20世纪90年代以来，提高突触ATCh浓度的AChE抑制作用已被证明对阿尔茨海默病具有治疗效果[4]，[5]。然而，滥用有机磷农药（OPs）等AChE抑制剂会导致酶过度抑制，从而在突触间隙中积累病理性的ATCh。这种神经传递的破坏可能导致全身器官衰竭和致命后果[6]，[7]，[8]，[9]。因此，开发一种能够同时定量测量AChE活性及其抑制剂的可靠且灵敏的方法对于临床诊断、治疗干预和环境分析至关重要。

迄今为止，已经开发了几种技术，包括液相色谱-串联质谱、荧光、比色法和化学发光法，用于同时精确定量AChE及其抑制剂[10]，[11]，[12]，显示出相当大的潜力。然而，这些方法需要昂贵的仪器和复杂的样品制备过程，并且依赖于单一响应信号输出，这可能导致不准确或假阳性结果[13]，[14]，[15]。作为另外两种有趣的传感技术，电化学方法和光热（PT）传感分别具有其他方法所不具备的独特优势：电化学方法操作简单、成本低且精度高；光热传感则具有最全面、经济、快速和便携的特点[16]，[17]。然而，目前尚未有报道能够同时检测AChE及其抑制剂的相关电化学/光热双模式方法。此外，研究表明，双模式分析技术的出现可以通过整合和交叉验证两种信号来增强结果，从而克服单模式输出的局限性，实现更准确的估计[18]。特别是，均相电化学（HEC）传感作为一种新兴的分析方法，可以在均相溶液中通过目标识别反应获得扩散电流和高效率，有效避免电极修饰过程，极大提升传感性能[19]，[20]，[21]。因此，开发一种HEC和PT（HEC/PT）双模式传感策略，以同时测量AChE活性及其抑制剂是非常重要的。所提出的HEC/PT双模式传感器在复杂样品分析中具有显著的应用潜力。首先，由于均相电化学检测模式不受样品光学性质的影响，该方法可以直接分析浑浊或有色样品。更重要的是，电化学和光热响应分别来源于TMB及其氧化产物（oxTMB），这种信号同源性确保了两种检测通道之间的一致性，使得双模式相互验证机制更加稳健和可靠。此外，与其他依赖精密光学仪器的多模式检测技术相比，光热读出模式在设备成本和操作简便性方面具有明显优势，从而便于将该平台应用于资源有限的场合。

近年来，一种新型的纳米杂化体——纳米酶应运而生，它们表现出类似天然生物酶的活性，成为天然生物酶的有希望的替代品。纳米酶可以解决天然生物酶的一些局限性，如稳定性低、储存困难和高成本[22]，[23]。因此，先进纳米酶的设计和应用可以彻底改变生物传感器、环境科学和各种应用领域的现状。值得注意的是，一些研究表明，3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）作为过氧化物酶类似纳米酶和氧化酶类似纳米酶的常见催化底物，本身可以用作电化学探针，而其氧化产物（oxTMB）可以表现出显著的光热效应[24]，[25]。同时，与常见的过氧化物酶类型纳米酶相比，氧化酶类似纳米酶可以直接催化底物而无需H?O?，相关研究相对较少[26]，[27]，[28]。这些发现启发我们设计一种具有显著催化活性的新氧化酶类似纳米酶，以开发用于检测AChE及其抑制剂的电化学/PT双模式传感策略。草甘膦作为一种广谱除草剂，在环境中广泛使用且经常被检测到，因此被选为本研究的模型分析物，作为监测有机磷残留物的代表目标。同时，基于乙酰胆碱酯酶作为识别探针检测其抑制剂的方法已经得到了很好的建立和广泛验证。对于更强效的乙酰胆碱酯酶抑制剂，硫代胆碱的生成受到更有效的抑制，从而产生更强的信号响应。

最近，我们通过一种简单的湿化学方法成功合成了含有铂（Pt）纳米粒子（d-PCN/Pt）的缺陷工程PCN-224 MOFs纳米杂化体，并发现这种d-PCN/Pt纳米杂化体由于Pt纳米粒子和d-PCN-224之间的协同作用，具有显著的氧化酶类似活性，能够高效催化TMB的氧化[29]。进一步实验表明，AChE催化的产物硫代胆碱（TCh）会抑制d-PCN/Pt纳米酶的催化活性，因为形成了Pt–SH键，阻止了TMB的氧化生成oxTMB。基于这些发现，我们设计了一种创新的HEC/PT双模式策略，使用d-PCN/Pt纳米酶和TMB作为催化底物来检测AChE。此外，基于OPs等抑制剂对AChE活性的抑制作用，进一步建立了级联催化信号放大的HEC/PT传感系统，使用草甘膦（Gly）作为OPs模型（图1）。这项工作代表了通过电化学和PT双模式检测同时定量AChE及其抑制剂的早期尝试之一，可能开辟一个新的研究方向，具有重要意义。

章节片段

实验部分

化学试剂和设备的信息见支持材料。

d-PCN/Pt的表征

图1A展示了d-PCN/Pt纳米酶的两步合成流程。首先，通过一锅法溶热合成制备了缺陷d-PCN-224 MOFs，作为后续原位生长Pt纳米粒子的模板。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分别用于表征d-PCN-224和最终d-PCN/Pt杂化体的结构特征。如图1B和E所示，d-PCN-224呈现均匀的立方体结构

结论

总之，在这项工作中，我们设计了一种创新的HEC/PT双模式传感策略，通过制备d-PCN/Pt氧化酶类似纳米酶并选择TMB作为相关催化底物，实现了同时测定AChE及其抑制剂的目标。制备的d-PCN/Pt纳米酶表现出优异的氧化酶类似活性，能够高效催化TMB的氧化生成oxTMB，其中TMB可以用作电化学信号探针，而产生的

CRediT作者贡献声明

张书豪：撰写——原始稿件、可视化、软件、资源、研究、数据分析、概念化。周哲：撰写——审阅与编辑、验证、数据分析。易颖辉：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督。朱刚兵：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、研究、资金获取、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了河南生物分子识别与传感重点实验室开放项目（HKLBDDND-202508）、镇江药物疗效与健康风险评估重点实验室（SS2024006）以及江苏省高等教育机构优先学术计划发展和水处理技术与材料协同创新中心的支持。