双金属钴/锰掺杂的金属有机框架用于肾上腺素的紫外-可见光谱光度法和化学发光双模式检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Bimetallic Co/Mn-doped metal-organic framework for UV–Visible spectrophotometric and chemiluminescent dual-mode detection of adrenaline

　　刘秀兰|梅玉婷|吴婷|严希鸾|朱燕|郑香娟
南昌大学化学与化学工程学院，中国南昌330031

**摘要**
肾上腺素（AD）是一种在人体中含量极低但不可或缺的神经递质，在许多生理活动中起着重要作用。因此，精确检测AD对于临床诊断和生命科学研究至关重要。本研究采用简单且低成本的方法合成了钴-锰双金属掺杂的金属有机框架（Co/Mn@ZIF）。当Co/Mn@ZIF应用于结合紫外-可见光谱法与化学发光（CL）的双重检测平台时，该系统在AD的测定中表现出优异的准确性和选择性。紫外-可见光谱法的线性浓度范围为0–100 μM，检测限（LOD）为0.879 μM；而CL检测的线性范围为0–40 μM，LOD为0.872 μM。这种双模式方法为AD的灵敏检测提供了一种直接且经济的方式，在临床检测、环境监测等场景中具有广泛应用前景。

**引言**
肾上腺素（AD）作为由肾上腺髓质释放的神经递质，不仅在调节血压和心率方面发挥关键作用，还对重要代谢过程的调节至关重要[1]。作为一种药物，AD传统上用于治疗多种疾病，包括过敏性休克[2]、急性哮喘[3]和心脏骤停[4]。AD的血液浓度与多种生理过程相关。对于健康个体，血浆AD的正常生理范围通常为0.015–40 μM[5]。当交感神经系统被激活时，人体会释放大量AD，导致血管收缩、心率加快以及“战斗或逃跑”反应[6]。鉴于AD对人体的重要性及其易氧化的特性，开发出高选择性、操作简便高效的检测方法十分必要。

目前，已有多种技术用于AD的检测，包括紫外-可见光谱法[7][8][9]、比色法[10][11]、化学发光[12][13]、电化学分析[14][16]、高效液相色谱（HPLC）[17]和荧光[18][19][20]。然而，许多这些检测方法需要复杂且昂贵的仪器。紫外-可见光谱法操作简单、灵敏度高、通量快，非常适合检测极低浓度的物质[21]；化学发光检测在高速、单步激发、试剂消耗少和仪器维护成本低方面具有优势[13]。尽管如此，上述优点仍无法完全避免测量条件波动、仪器漂移或人为误差[22]，因此需要开发双信号策略以获得更可靠的结果。为了减少基质干扰并提高定量测量的准确性和可靠性，通常会在多组分样品的分析中采用双重检测策略。此外，两种检测方法的结合可以实现结果交叉验证，从而提高分析的可靠性[23]。双模式检测整合了每种单一检测方法的优点，并在一定程度上弥补了各自的不足，从而形成更全面高效的定量测量方法。例如，张莉的研究团队提出了一种基于金属有机框架（MOFs）的信号报告系统，用于腺苷三磷酸的靶向检测[23]；该双模式系统结合了光电化学（PEC）和荧光（FL）技术，表现出优异的灵敏度并达到了低检测限[23]。吴世月团队利用光增强催化活性和反应系统的显著光热效率，设计了一种创新的双模式方法，并成功应用于实际样品中单宁酸含量的测定[24]，这表明基于光诱导等离子体增强机制的双模式策略具有广阔的应用前景[24]。这些结果均展示了双模式检测在生物分子分析中的优势。

MOFs是一类由金属离子或金属簇通过有机配体连接而成的多孔晶体材料，具有非常高的比表面积和可调的孔径[25]。合成MOFs的方法有多种，包括传统的溶剂热法[26]、超声辅助合成法[27]和微波辅助合成法[28]，每种方法都有其独特的特点。最常用的方法是溶剂热法，该方法可使MOFs缓慢结晶成单晶或高结晶度粉末，适用于结构分析，但其缺点是条件苛刻且反应时间较长[29]。沸石咪唑ium框架材料（ZIFs）是一类新型MOFs，由金属离子和咪唑ium连接剂组成[30]。由于具有固有的孔隙特性、广泛的功能性和优异的热稳定性和化学稳定性[31]，ZIFs在细菌[32]、抗生素和农药残留[33][34]、污染物[35][36]以及食品[37]的检测中展现出巨大潜力。它们甚至可用于构建自供电生物传感设备[38]，从而无需外部电源，便于便携式和现场检测微量分析物。在所引用的分析方法中，采用双重检测策略的方法旨在提高选择性和交叉验证的定量准确性[32][34]，结合了ZIF材料的优点（如孔隙特性、广泛的功能性和稳定性[31]以及双模式检测平台的误差消除和交叉验证优势[23]，进一步提高了检测方法的准确性和可靠性。

由于MOFs具有类似酶的活性，基于MOFs的纳米酶已成为纳米酶研究的重要分支，因为它们具有结构可设计性、可调孔径和高度分散的活性位点[25]。根据催化机制，MOF纳米酶可分为氧化酶（OD）模拟物（直接利用分子氧）和过氧化物酶（POD）模拟物（依赖H2O2反应）[39]。在各种金属节点中，Mn和Co因其丰富的价态变化、对氧物种的良好亲和力以及在MOF结构中易于进行配位修饰而成为构建氧化还原型MOF纳米酶的有希望的候选者[40]。例如，Mn基MOF（如磁性棒状Mn基MOF）已被证明具有显著的OD类似活性，无需外加H2O2即可氧化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）[41]；而Co-MOF（如ZIF-67）主要表现出POD类似活性，需要H2O2作为催化剂[42]。进一步研究表明，含有Mn和Co的双金属MOF纳米酶通过电子转移和两种金属节点之间的协同效应表现出增强的酶类似活性[43]。然而，现有关于Co/Mn-MOFs的研究主要集中在它们的POD类似活性上，而它们的OD类似活性及双重活性的协同调节作用尚未得到充分探索[44][45]。因此，设计同时具有OD类似和POD类似活性的Mn/Co含MOF纳米酶不仅有助于深入理解基于MOFs的人工酶的催化机制，还为生物传感、抗菌治疗和环境检测提供了新的应用平台。

本研究设计并合成了一种新型MOF材料（Co/Mn@ZIF），该材料具有高OD类似和POD类似活性，并成功用于AD的定量检测。无色的TMB在Co/Mn@ZIF的强OD类似活性作用下被高效氧化为蓝色Ox-TMB；加入AD后，溶液颜色变浅。由于Co/Mn@ZIF的POD类似活性，它催化H2O2在表面Co/Mn位点的分解，生成•OH自由基，这些自由基迅速氧化框架内预吸附的鲁米诺，从而产生强烈的CL信号。AD的加入会竞争性地消耗•OH或阻塞Co/Mn@ZIF表面的活性位点，导致CL信号显著减弱。利用TMB颜色的变化和CL强度的显著降低，我们设计了结合紫外-可见吸收与CL检测的双模式检测方法，实现了AD的交叉验证和高度可靠的定量分析。我们还通过人体血清中的回收研究验证了基于Co/Mn@ZIF的双模式检测方法在AD诊断中的可行性。这种双模式方法为临床检测、环境监测等场景提供了一种直接且经济可行的AD检测方式。

**材料与试剂**
四水合氯化锰（MnCl2·4H2O）、六水合氯化钴（CoCl2·6H2O）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、肾上腺素（AD）、羟氨铵盐酸盐（NH2OH·HCl）、尿酸（UA）、多巴胺盐酸盐（DA）、氯化钾（KCl）、无水氯化钙（CaCl2）和L-酪氨酸（Tyr）均购自上海麦克林生化有限公司（中国上海）。甲醇（CH3OH）、三水合醋酸钠（CH3COONa·3H2O）、醋酸（CH3COOH）也用于实验。

**Co/Mn@ZIF的表征**
为了详细表征材料的表面形态和晶体结构，我们使用了扫描电子显微镜（SEM）和XRD技术。Co/Mn@ZIF材料的表面形态通过SEM进行了仔细观察，结果如图1A、B、E、F所示。该材料含有Co和Mn离子，表现出均匀的纳米级形态，分散性好，无明显的聚集或堆叠现象。

**结论**
总之，合成了掺杂了Mn的ZIF（Co/Mn@ZIF）材料，Mn的掺杂赋予了材料强OD类似和POD类似活性，使得TMB的颜色明显变深，CL信号显著增强。当加入AD时，实现了AD的定量双模式测量。紫外-可见光谱法和CL方法在宽浓度范围内均表现出良好的线性关系。

**伦理批准与参与同意**
本研究遵循《赫尔辛基宣言》的原则进行。所用血清样本最初是南昌大学健康中心常规临床检测的剩余样本，在我们使用前已进行不可逆匿名处理，研究人员无法获取任何可识别的患者信息。由于使用了完全匿名的剩余样本，因此无需获得知情同意。

**作者贡献**
刘秀兰：撰写初稿、方法学设计、数据分析、验证。
梅玉婷：撰写初稿、软件开发、数据分析、验证。
吴婷：方法学设计、数据分析。
严希鸾：指导、概念构思。
朱燕：审稿、数据分析。
郑香娟：审稿与编辑、资金获取、概念构思。

**利益冲突声明**
作者声明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**
本研究得到了江西省自然科学基金（项目编号20232BAB203025和20212BAB206093）、重庆市自然科学基金（项目编号CSTB2024NSCQ-MSX1285）以及国家自然科学基金（项目编号82360857）的财政支持。