MnTi双金属MOF作为过氧化物酶模拟物，用于酸磷酸酶的比色检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：MnTi bimetallic MOF as peroxidase mimic for colorimetric detection of acid phosphatase

　　

周晓丽|赵华坤|周彦军|尹阳|袁彩云|龙一娟|郑虎志

教育部西南大学发光分析与分子传感重点实验室，西南大学化学与化工学院，中国重庆400715

摘要

酸磷酸酶（ACP）的灵敏和可视化检测对临床诊断至关重要。然而，现有比色测定的分析性能常常受到传统单组分纳米酶催化效率的限制。为了解决这个问题，我们设计了一种高活性的双金属有机框架（MnTi-MOF），作为过氧化物酶的模拟物。通过将Mn²⁺引入Ti-MOF结构中，异种金属节点之间的天然电负性差异产生了内部电场。这种内置电场驱动电子-空穴对的有效分离，并与类似Fenton反应的Mn²⁺/Mn³⁺氧化还原循环协同作用，在H₂O₂存在下加速活性氧的产生。利用MnTi-MOF的过氧化物酶样活性，我们开发了一种基于3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）作为显色底物的ACP检测平台。在检测过程中，ACP水解底物产生抗坏血酸（AA），后者可迅速还原氧化的TMB，导致吸光度可量化下降。该方法的范围为0.02–1?U/L，检测限为0.015?U/L，并且已被证明可用于检测牛血清中的ACP。这项工作不仅证实了双金属MOF纳米酶在构建复杂生物传感平台方面的巨大潜力，还为其他生物分子的检测方法提供了新的设计原理。

引言

酸磷酸酶（ACP）是生物体中的重要酶，存在于各种组织和体液中[1]。它在多种生理过程中起着关键作用，包括铁转运[2]、骨吸收[2]和免疫反应[3]。ACP活性的异常变化与多种重大疾病的发展和进展密切相关，如淋巴细胞白血病[4]、戈谢病[5]和前列腺疾病[6]。因此，对ACP的灵敏检测具有重要的生物学和临床意义。研究人员已经开发了几种ACP定量技术，目前主要依赖于电化学技术[7]、[8]、荧光光谱[9]、高效液相色谱（HPLC）[10]和表面增强拉曼散射（SERS）[11]、[12]。尽管这些传统平台具有很高的准确性，但其广泛应用往往受到复杂样品预处理、昂贵仪器和需要专业操作人员的限制。为了克服这些障碍，基于纳米酶的比色传感成为了一种实用的替代方案。

纳米酶是一类能够模拟天然酶活性的功能性纳米材料[13]，自2007年首次报道以来，在多个领域展示了显著的应用潜力[14]，包括生物传感[15]、[16]、食品科学[17]、污染物降解[18]、[19]和医疗治疗[20]、[21]。与天然酶相比，纳米酶具有稳定性更高、成本更低和可扩展的生产能力[22]、[23]，使其成为传统酶制剂的强大替代品。近年来，从碳基纳米结构到过渡金属化合物的各种功能性材料不断被探索，作为先进的生物传感和分析应用的强大纳米酶[24]、[25]、[26]、[27]。在各种纳米酶中，类似过氧化物酶（POD）的纳米酶因其能够在过氧化氢存在下催化底物氧化的能力而成为构建高灵敏度生物传感器的核心组件[28]、[29]。

尽管类似POD的纳米材料库不断增长，但单组分或单金属纳米酶的催化效率有时不足以实现超痕量临床检测。最近的催化剂设计趋势表明，通过不同组分的协同作用构建混合或双金属结构可以显著提高酶活性[30]。在各种材料候选者中，金属有机框架（MOFs）由于其高度有序的多孔结构、可调的孔径大小和高比表面积[31]、[32]，被认为是构建高性能纳米酶的理想平台。除了继承MOFs的一般优势外，基于Ti的MOFs还表现出独特的性质——如半导体特性[33]和高化学稳定性[34]。为了进一步提高其催化性能，构建多金属节点MOFs已成为一种非常有前景的策略[35]。与简单的异原子掺杂不同，构建双金属MOFs能够精确调节材料的电子结构和原子尺度的界面特性，从而实现协同催化[37]。将锰（Mn）引入该框架是一种有吸引力的策略，因为其丰富的可变价态有助于快速进行类似Fenton的反应，从而形成强大的催化中心[38]。

本研究旨在通过部分用Mn替代Ti-MOF中的Ti位点来构建一种具有良好催化活性的新型双金属MOF纳米酶。引入Mn²⁺不仅作为高效的类似Fenton的反应中心，更重要的是，通过产生内置电场促进了电子-空穴对的分离。这种电荷分离与锰价态循环之间的协同效应显著增强了类似POD的活性，使得典型的显色底物TMB的有效催化氧化成为可能。在酸性条件下，MnTi-MOF表现出优异的类似POD的活性，催化生成氧化TMB的活性氧（ROS）。ACP催化AAP的水解，产生抗坏血酸（AA），后者将蓝色的oxTMB还原为无色的TMB。随着ACP活性的增加，产生的AA增多，导致652?nm处的吸光度降低，从而实现ACP的检测。这项工作不仅为设计高性能纳米酶提供了新的见解，而且通过深入的机制研究揭示了双金属节点在调节催化途径和活性氧组成中的关键作用，为相关材料的后续设计建立了理论和实验基础。

部分内容

MT-MOF是通过溶剂热法合成的（图1a）[39]。首先，混合9?mL DMF和1?mL甲醇，然后加入0.543?g H₂BDC-NH₂并搅拌至完全溶解。在持续搅拌下，逐滴加入0.23?mL TTIP，随后加入0.0074?g MnCl₂·4H₂O。混合物搅拌30?分钟后，转移到特氟龙内衬的不锈钢高压釜中，在150?°C下加热36?小时。冷却后

MT-MOF是通过水热法制备的[39]（图1a）。如图1b和c所示，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像显示，合成的MnTi-MOF具有方形纳米片状形态。图1d显示了MnTi-MOF的EDX元素分布图，观察到Ti、Mn、C、N和O元素的均匀分布。虽然EDS映射证实了元素的均匀空间分布，但

结论

总之，我们探索了一种通过成功构建Ti-Mn双金属MOF材料来增强MOFs类似POD活性的策略，该材料表现出显著的POD模拟特性。机制研究表明，Ti和Mn节点之间的电子相互作用产生了内置电场，有效促进了电子-空穴的分离。这一过程与Mn²⁺/Mn³⁺价态循环协同作用，共同增强了ROS的生成。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的竞争性财务利益或个人关系。