Cu-Zn MOF复合g-C3N4纳米酶的协同过氧化物酶样活性结合智能手机比色传感器用于环丙沙星检测

《Analyst》：Synergistic peroxidase-like activity of the Cu–Zn MOF-incorporated g-C3N4 nanozyme integrated with a smartphone-based colorimetric sensor for ciprofloxacin detection

　　

水体抗生素污染已成为威胁环境安全与人类健康的全球性严峻问题。基于纳米酶的光学传感器在环境样品中抗生素的快速、高灵敏检测方面展现出显著潜力。为此，研究人员开发了一种新型协同杂化纳米酶Cu-Zn-MOF/g-C3N4，由Cu-Zn MOF与g-C3N4纳米片复合而成。该杂化纳米酶可通过表面Cu2+/Cu+参与的芬顿(Fenton)样反应产生活性氧羟基自由基(·OH)，进而氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)；其中Zn2+维持骨架稳定性，共轭g-C3N4增强电子传递以促进活性氧生成。重要的是，环丙沙星(CIP)与该纳米酶间的特异性相互作用可选择性显著增强其过氧化物酶样活性，进一步加速电子传递，从而促进TMB高效氧化。所构建的比色CIP传感器响应快速，线性范围为2–200 μM，检测限低至0.66 μM。为满足现场检测需求，该系统集成便携式智能手机辅助RGB平台，实现了环境水样中CIP的原位测定。该研究阐明了双金属配位调控杂化纳米材料电子性质的关键作用，为环境监测领域的快速、低成本、高灵敏可视化检测提供了可行平台。

研究背景与意义

水体中抗生素残留会引发非靶标生物毒性、促进耐药菌及耐药基因传播，严重威胁生态系统与公共卫生安全。环丙沙星(CIP)作为氟喹诺酮类广谱抗生素，临床用量大且环境检出率高，其残留检测对污染管控至关重要。传统液相色谱-质谱(LC-MS)、高效液相色谱(HPLC)等方法虽精度高，但依赖大型仪器、前处理繁琐，难以满足现场快速筛查需求。比色传感因操作简单、成本低、可视化强成为理想替代方案，而其核心在于高性能纳米酶的开发。金属有机框架(MOF)因多孔结构与可调催化位点被广泛应用，但单金属MOF导电性差、电荷传递效率低；石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为无金属二维半导体，虽化学稳定性好，却存在电荷复合快、易团聚等问题。双金属MOF可借助多活性中心协同提升催化性能，但如何进一步优化电子传递效率仍是研究难点。因此，构建兼具高催化活性、高选择性的新型纳米酶体系，并集成便携检测平台，对环境中CIP的快速监测具有重要科学意义与应用价值。该研究成果发表于《Analyst》。

关键技术方法

研究人员采用溶剂热法合成g-C₃N₄纳米片，随后通过原位生长制备Cu-Zn-MOF/g-C₃N₄杂化材料。利用粉末X射线衍射(p-XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、高分辨扫描/透射电子显微镜(HR-SEM/HR-TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、氮气吸附-脱附、zeta电位与电子顺磁共振(EPR)对材料结构与理化性质进行系统表征。以TMB-H₂O₂体系评价过氧化物酶样活性，结合自由基捕获实验与荧光探针验证活性氧物种类型。优化检测条件后，评估传感器对CIP的灵敏度、选择性及实际水样加标回收率，并搭建智能手机RGB比色平台实现定量检测。所有实际水样（饮用水、自来水、湖水）均经0.22 μm膜过滤去除杂质后使用。

研究结果

3.1 结构与形貌分析

p-XRD与FTIR结果表明Cu、Zn成功共掺杂形成双金属框架，且g-C₃N₄通过静电作用与π-π堆积有效复合，界面存在电子耦合。HR-SEM/TEM显示g-C₃N₄呈褶皱纳米片结构，Cu-Zn-MOF以纳米棒簇形式均匀分散于其表面，无明显团聚。XPS证实材料中存在Cu²⁺/Cu⁺氧化还原对，N₂吸附-脱附显示其为介孔结构（比表面积90.2 m2 g^-1，孔径1.1 nm）。Zeta电位变化验证了复合过程及CIP加入后的表面电荷反转，EPR信号表明Cu²⁺为催化活性中心。

3.2 羟基自由基验证与构效研究

以对苯二甲酸为荧光探针，证实体系可产生活性氧羟基自由基(·OH)；自由基捕获实验表明·OH是TMB氧化的主要活性物种，超氧自由基(·O₂^-)与单线态氧(¹O₂)贡献可忽略。

3.3 协同过氧化物酶样活性

Cu-Zn-MOF/g-C₃N₄的催化活性显著高于单一Cu-MOF、Zn-MOF及未复合g-C₃N₄的Cu-Zn-MOF，归因于双金属中心协同效应与g-C₃N₄的电子传递促进作用，反应2–4 min即可达到稳态。

3.4 催化机制解析

Cu为H₂O₂裂解的主要活性位点，通过类Fenton反应生成·OH；Zn与g-C₃N₄促进底物吸附与界面电子转移，降低反应能垒，协同提升催化效率。

3.5 传感器条件优化

最优检测条件为pH 4.0、纳米酶浓度0.4 mg mL^-1、TMB浓度40 μM、温度35 °C。

3.6 CIP增强机制

CIP分子中氮杂环、哌嗪基及羰基/羧基可与Cu-Zn中心发生多齿配位，进一步加速电子传递，显著提升催化氧化效率，实现信号放大。

3.7 灵敏度与选择性

传感器在2–200 μM范围内线性良好，检测限(LOD)为0.66 μM。常见干扰物（结构类似抗生素、金属离子、有机物）几乎无响应，NaF与Na₂S₂O₃可有效掩蔽Fe³⁺与Cu²⁺干扰，选择性优异。

3.8 实际水样分析

在饮用水、自来水、湖水中加标回收率为97.7%–102%，准确度可靠。

3.9 智能手机RGB检测平台

结合智能手机颜色识别软件，以G/(R+G+B)比值定量，在5–25 μM范围内线性良好，LOD为4.4 μM，可实现现场快速半定量分析。

3.10 稳定性与可回收性

纳米酶循环使用4次后仍保持87.8%活性，15天内活性仅下降32%，稳定性良好。

结论与讨论

该研究成功构建了Cu-Zn-MOF/g-C₃N₄杂化纳米酶，其双金属协同与g-C₃N₄电子介导效应赋予优异的类过氧化物酶活性。CIP的特异性配位作用可进一步增强催化效率，基于此建立的传感器兼具高灵敏度与高选择性。集成的智能手机RGB平台无需复杂仪器即可实现现场检测，为环境抗生素污染的快速筛查提供了低成本、易推广的技术方案，在环境监测、水质安全评估等领域具有重要的应用前景。