具有过氧化物酶模拟活性的双金属CuMo纳米酶，可依次检测H2O2和DA

《Inorganic Chemistry Communications》：Bimetallic CuMo nanozyme with peroxidase-mimetic activity for sequential detecting H2O2 and DA

　　

赵宇涵|韩欣雨|李云杰|王忠梁|蔡芳

黑龙江省光化学生物材料与能源储存材料重点实验室，教育部光子与电子带隙材料重点实验室，哈尔滨师范大学化学与化学工程学院，哈尔滨150025，中国

摘要

多巴胺（DA）作为评估情绪和神经系统疾病的重要生物标志物，过氧化氢（H?O?）则作为氧化应激和抗菌活性的标志物。DA和H?O?的水平与严重神经系统疾病的发展有关。因此，精确、快速、便携的DA和H?O?检测对于临床诊断和治疗具有重要意义，但这仍是一个主要挑战。在本研究中，利用色氨酸作为配体制备了具有过氧化物酶活性的双金属纳米酶CuMo纳米片（CMNS），并实现了H?O?和DA的顺序检测，其检测限分别为4.7 μM和0.11 μM。还开发了一种基于智能手机的便携式拭子传感系统，可用于快速、现场和可视化地检测DA，其检测限为0.587 μM。该平台在血清和牛奶样品中实现了高精度的DA检测，回收率在93.02%到108.2%之间，相对标准偏差低于3.02%，显示出优异的环境耐受性。此外，还设计了一种分子逻辑门以理解和有效应用这种顺序检测过程。总体而言，这项工作建立了一个基于双金属纳米酶的高灵敏度、选择性和便携性的比色生物传感平台，在诊断和生物标志物监测方面展现出巨大潜力。这类双金属纳米酶在环境和医疗应用中的可见光传感方面具有巨大潜力。

引言

多巴胺（DA）是一种内源性单胺，是生物系统中关键的儿茶酚胺类神经递质之一[1]。作为一种关键的生物活性单胺神经递质，DA在人类中枢神经系统中发挥着核心调节作用，广泛参与多种核心生理过程，如心血管平衡[2]、内分泌活动[3]、情绪自我调节[4]和肾脏功能调节[5]。DA水平的失调与多种严重神经退行性疾病和心理疾病的发病机制和进展密切相关[6]，包括老年人的痴呆症[7]和帕金森病[8]。因此，准确且选择性地定量DA具有重要的临床意义[9],[10]。同时，过氧化氢（H?O?）作为一种关键的细胞内生物标志物，在生理调节中起着重要作用[11]。H?O?的水平被广泛用作评估氧化应激[12]、杀菌效果[13]和炎症状态的指标[14]，持续的氧化应激被认为会加速衰老、肿瘤发生和神经退行性疾病的进展。此外，食品和饮料中也可能由于非标准灭菌和包装过程而残留H?O?[15]。因此，检测H?O?对于医学诊断和食品安全至关重要。因此，精确、经济且快速地检测DA和H?O?非常重要，尤其是针对多个目标的多元检测策略仍然是一个巨大挑战。

迄今为止，已经开发了许多检测DA和H?O?的方法，如高效液相色谱法（HPLC）[16]、随机激光（RL）技术[17]、场效应晶体管（FET）基生物传感器[18]、毛细管电泳（CE）[19]和电化学发光（ECL）[20]。然而，传统和新的分析方法通常存在一些局限性，包括程序复杂、分析时间较长、设备昂贵以及需要受过培训的操作人员，这使它们不太适合现场使用[21]。在现有的方法中，纳米酶具有明显的优势，如可逆性、响应迅速、成本低廉以及能够驱动顺序反应。纳米酶是一类具有内在催化活性的合成酶，与天然酶相比，在敏感性、稳定性、成本效益和催化效率方面具有优势[22]。由纳米酶和氧化显色底物构建的比色传感器已被广泛开发，并在检测DA方面表现出优异的性能和可靠性[23]。值得注意的是，纳米酶的设计和合成因其高度可扩展的材料和有效解决天然酶的局限性（包括获取困难和复杂的合成协议）而受到了广泛关注[24]。

近年来，已经探索了多种纳米酶，包括金属纳米颗粒[25]、金属有机框架（MOFs）[26]、碳点（CDs）[27]、双金属材料[28]以及各种复合材料。其中，由两种不同金属组成的双金属材料在电子、光学、催化和光催化性能方面表现出协同效应，从而赋予了单金属对应物无法实现的独特催化性能[29]。双金属的协同效应赋予了纳米酶出色的催化活性，同时减少了贵金属的消耗和总体成本。目前，具有过氧化物酶活性的双金属材料在生物传感、疾病治疗和环境修复中发挥着关键作用[30]。

在这项工作中，通过利用金属间的协同作用合成了双金属CuMo纳米片，这些纳米片具有成本效益、操作简便和高催化效率的优点。CMNS的内在过氧化物酶模拟活性在H?O?存在下催化TMB氧化为蓝色氧化TMB。DA竞争性清除ROS，从而减少TMB的氧化，减弱过氧化物酶的活性，导致比色信号减弱。该系统能够顺序检测H?O?和DA，其检测限分别为4.7 μM和0.11 μM。为了实现便携式和原位检测，开发了一种基于智能手机的RGB方法，使用测试拭子作为比色工具。在0.587 μM时可以确保可见且方便的读数。值得注意的是，通过在真实样品中测试DA并获得了令人满意的回收率，证实了该方法的准确性和实用性。因此，所制备的双金属CMNS纳米酶实现了H?O?和DA的顺序检测，展示了在生物传感和医学诊断中的潜在应用。

节片段

化学品

本研究中使用的所有试剂均为分析级，无需额外纯化。六水合钼酸钠（(NH?)?Mo?O??·4H?O，99%），三水合硝酸铜（Cu(NO?)?·3H?O），2,2′-偶氮-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（ABTS，98%），邻苯二胺（OPD，98%），3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB，98%），乙酸（CH?COOH，98%），H?O?（30 wt%），无水醋酸钠（CH?COONa，99%）和烟酸（NA，99%）均购自Aladdin Chemical Co.（上海）。

CMNS的表征

通过测量形态结构和组成对提出的CMNS进行了表征。首先，使用扫描电子显微镜（SEM）分析了CMNS的形态特征。如图1a-b所示，纳米片的厚度约为60–80 nm，宽度在400到600 nm之间。值得注意的是，CMNS呈现出二维片状形态，尺寸分布不均匀，这有助于暴露活性位点并促进电子

结论

总之，制备了具有POD类似活性的CMNS双金属纳米酶，并将其用作H?O?和DA的多元探针。CMNS促进H?O?分解为O·?2，然后氧化TMB并进一步产生可逆的颜色变化。随后，DA的酚基团表现出良好的还原性，实现了对氧化TMB的修复和限制，从而实现了H?O?和DA的顺序比色检测。

CRediT作者贡献声明

赵宇涵：正式分析，数据管理。韩欣雨：撰写——初稿，方法学。李云杰：方法学，调查。王忠梁：资源，数据管理。蔡芳：撰写——审稿与编辑，监督，方法学，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

中国国家自然科学基金（编号22171060）、黑龙江省高校基础研究青年人才计划（编号YQJH2024102）以及黑龙江省科技厅（编号PL2024B003）和黑龙江省生态环境厅（编号HST2025S034、HST2025S033、HST2025QT003）的支持。

赵宇涵于2024年获得学士学位。她是哈尔滨师范大学化学与化学工程学院的硕士研究生，主要研究方向是使用纳米酶进行生物分子的比色检测。