《Sensors and Actuators B: Chemical》：Ligand-engineered Fe-MOFs enabling one-tube nanozyme-assisted cascade reactions for ultrasensitive ratiometric fluorescence sensing of acid phosphatase
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杨润润|曹海燕|叶华中|刘一心|罗志远|熊国斌|程凌云|史海龙|袁雅玲|张晓丹|李思琪重庆理工大学药学与生物工程学院，中国重庆400054摘要具有整合光学和催化功能的金属有机框架（MOFs）为先进的化学传感提供了有前景的机遇。在此，我们报告了一种配体工程策略，利用一系列带有系统变
杨润润|曹海燕|叶华中|刘一心|罗志远|熊国斌|程凌云|史海龙|袁雅玲|张晓丹|李思琪
重庆理工大学药学与生物工程学院，中国重庆400054
摘要
具有整合光学和催化功能的金属有机框架（MOFs）为先进的化学传感提供了有前景的机遇。在此，我们报告了一种配体工程策略，利用一系列带有系统变化的电子给体和电子受体取代基的单苯荧光团配体构建双功能Fe-MOFs。通过调节取代基的类型、数量和相对位置，研究了结构-活性关系，揭示了配体电子效应如何控制内在荧光和类似过氧化氢酶的催化性能。在七种Fe-MOFs中，Fe-IPA-NH?(2)表现出高的荧光量子产率和优异的纳米酶活性，无需外部参考荧光团即可形成内在的比率荧光系统。基于这一材料平台，我们开发了一种一锅法纳米酶辅助的级联传感策略，用于检测酸性磷酸酶（ACP）。ACP催化的底物水解和纳米酶介导的邻苯二胺氧化在单个试管中同时进行，通过MOF发射和氧化产物荧光之间的内部滤波效应产生比率荧光响应。这种集成设计将检测时间缩短至20分钟，同时保持了高达4.0×10?? U L?1的检测限。荧光变化在紫外光下伴随着明显的颜色变化，并可以利用基于智能手机的RGB分析进行量化。所提出的策略在血清样本中表现出可靠的性能，为ACP活性分析提供了一种简单便捷的方法，突显了配体工程MOFs在集成荧光传感中的潜力。
引言
准确可靠地检测与疾病相关的生物标志物对于早期诊断和健康监测至关重要[1]。在这些生物标志物中，酸性磷酸酶（ACP）是一种具有临床意义的水解酶，在酸性条件下催化磷酸酯的水解。血清和组织中ACP水平的异常与多种疾病密切相关，包括前列腺癌、肾脏疾病、甲状旁腺功能亢进、肝炎和多发性骨髓瘤[2]。因此，开发敏感可靠的ACP检测方法对于临床诊断和疾病监测非常重要。
迄今为止，已经开发了多种分析方法来检测ACP[3]、[4]，其中荧光传感因其高灵敏度、快速响应和操作简便性而受到广泛关注[5]、[6]。然而，传统的荧光传感器通常依赖于单发射强度变化，这很容易受到激发条件、探针浓度和环境干扰的影响，导致定量可靠性降低[7]、[8]。比率荧光传感利用两个发射信号的比例作为分析输出，作为一种有效的自我校准策略来克服这些限制[9]、[10]。尽管有这些优势，但大多数报道的比率系统需要外部引入的参考荧光团或多组分组装，这增加了系统的复杂性并降低了稳定性[11]、[12]。因此，开发简单且内在自校准的比率传感平台仍然非常有必要。
金属有机框架（MOFs）由金属节点和有机连接器构成，由于其可调的组成、有序的孔隙率和结构多样性，为多功能集成提供了多功能平台[13]、[14]、[15]。近年来，MOFs被广泛用于化学和生物传感，作为荧光探针、催化放大器或纳米酶模拟物[16]、[17]。特别是基于铁的MOFs由于其源自Fe–O簇的天然过氧化氢酶样活性而受到关注，为天然酶提供了稳定的替代品[18]。然而，大多数基于MOF的传感器仍然通过单信号输出工作，而多功能设计通常依赖于不同组件的外部集成，如荧光染料和催化纳米粒子[19]、[20]。这些方法可能会出现信号不匹配、泄露和重复性差的问题。在我们之前的工作中，我们首次整合了MOFs的内在荧光和类似纳米酶的催化活性，构建了一个比率荧光传感平台[18]。随后，也报道了几种具有光学和催化功能相结合的相关MOF系统[21]、[22]。然而，这些系统通常作为单独的双功能探针构建，对系统理解结构设计与多功能性能之间关系的关注有限。在单一MOF骨架内实现荧光信号和催化放大的内在集成，以及结构、性质和性能之间的清晰关联，仍然是一个重大挑战。
配体工程是一种强大但尚未充分探索的策略，可以解决这一挑战。MOFs的物理化学性质主要由金属节点和有机连接器之间的配位相互作用决定，这表明合理的配体调节可以直接调节框架的功能[23]、[24]。单苯荧光团（SBFs）的特点是π-共轭最小、Stokes位移大、荧光量子产率高且易于获取。与传统高度共轭的配体相比，SBFs具有几个优势[25]、[26]、[27]。首先，它们的紧凑结构减少了π–π堆叠相互作用，有效地抑制了聚集引起的淬灭，使得在固态和MOF框架内具有强烈的荧光。其次，它们简单的苯核允许使用不同的取代基（例如，?NH?、?OH、?OCH?）进行精确的功能化，从而通过配体工程系统地调整光学性质和配位行为。第三，SBFs在与Fe3?配位时仍能保持强荧光，使其适合于集成具有光学和催化功能的Fe-MOFs。虽然SBFs已广泛应用于离散分子探针中，但它们作为功能性配体在MOFs中的系统整合仍然很少[28]、[29]、[30]。更重要的是，简单苯基配体中的微妙电子变化如何影响MOFs的内在荧光和催化性能很少被研究，配体设计与多功能行为之间的结构-性质关系在很大程度上仍然是未探索的。基于铁的MOFs提供了一个理想的模型系统，可以阐明这些关系，因为它们的过氧化物酶样活性可以通过显色或荧光反应实现催化信号放大[31]。我们假设合理的配体功能化可以同时调节Fe-MOFs的内在荧光发射和纳米酶活性，从而实现内部耦合的比率传感机制。
在这里，我们报告了通过纳米酶辅助的级联反应实现内在比率荧光传感的配体工程Fe-MOFs。通过系统地将一系列具有不同取代基的单苯荧光团引入基于铁的MOF骨架，本工作揭示了配体电子效应如何控制内在荧光和类似过氧化氢酶的催化性能，建立了结构、性质和性能之间的明确关联。优化的Fe-MOF将其内在荧光与邻苯二胺（OPD）的催化氧化产物结合起来，通过内部滤波效应产生稳定的比率信号。选择ACP作为代表性生物标志物来验证所提出的传感策略，因为其酶活性可以方便地整合到级联调节过程中。得益于的一锅法设计，传感过程迅速且能够进行视觉区分，进一步可以使用基于智能手机的RGB分析进行量化。这项工作不仅提供了关于配体调节的多功能MOFs的机制洞察，还为构建内在自校准的基于纳米酶的传感器提供了一种合理和可推广的策略，适用于实际生物分析。
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章节片段
实验
试剂、仪器、材料合成和实验程序在支持信息中有详细描述。
SBFs的合理设计
设计了一个单苯荧光团（SBF）配体库，其中预先安装了两个羧基，以实现金属-配体配位和框架组装。如图1所示，通过系统改变电子给体（EDGs：–NH?、–OH、–OCH?）的类型和数量以及苯环上电子受体（EWG：–COOH）的位置，引入了结构多样性。
结论
总之，我们开发了一种配体工程技术，用于构建同时具有可调荧光和纳米酶催化活性的Fe-MOFs。需要注意的是，以往的研究主要集中在使用氨基对苯二甲酸配体的单个有机连接器来构建双功能MOF探针。但在这项工作中，对单苯配体上的电子给体和电子受体取代基的系统调节提供了一些关于配体电子与
CRediT作者贡献声明
曹海燕：撰写 – 审阅与编辑。刘一心：验证、调查。李思琪：撰写 – 审阅与编辑、监督、项目管理、概念化。杨润润：撰写 – 原始草稿、调查、数据管理。熊国斌：数据管理。程凌云：数据管理。罗志远：验证、调查。叶华中：调查。袁雅玲：方法论、形式分析。张晓丹：撰写 – 审阅与编辑。史海龙：验证。
撰写过程中使用生成AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作期间，作者使用了ChatGPT来改进语言。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。
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竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（编号22206018）；中国博士后科学基金（编号2023M740428）；重庆市教育委员会科学技术研究计划（编号KJZD-K202401106）；重庆理工大学研究生教育高质量发展计划（编号CYS240723）的财政支持。作者感谢西南大学分析测试中心的赵艳艳博士在数据获取方面的帮助
