L-精氨酸介导的高活性纳米酶CeO2@Mn/ZIF-67的构建及其在便携式亚硝酸盐快速检测中的应用

《Microchemical Journal》：Design and fabrication of a highly active nanoenzyme CeO 2@Mn/ZIF-67 mediated by L-arginine for construction of a portable glass tube hydrogel sensor towards rapid nitrite detection

本文报道了一种由L-精氨酸（L-arginine）介导合成的新型高活性纳米酶CeO2@Mn/ZIF-67，其酶动力学参数（Km: 0.054 mM, Vmax: 64.00 μMs?1）优于多数已报道材料。基于亚硝酸盐（nitrite）与氧化TMB（oxTMB）的偶氮化反应导致吸光度比值（A652/A450）变化，开发了比率型比色传感平台，并创新性地设计出仿酒精拭子原理的便携式玻璃管水凝胶传感器，实现了亚硝酸盐的即时检测（POCT），克服了传统方法耗时长、便携性差的缺陷。

　　

Highlight

材料表征

通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）对合成材料进行了表征。图1展示了ZIF-67、Mn/ZIF-67和CeO₂@Mn/ZIF-67的SEM图像。如图1A所示，合成的ZIF-67具有十二面体结构，与文献报道一致。目前，已报道的Mn掺杂ZIF-67形态有层状、棒状、花状等。在我们的研究中，从图1B观察到的Mn/ZIF-67形态呈现球形而非原始ZIF-67的十二面体结构，这可能是由于Mn²⁺的引入改变了晶体生长过程。图1C显示，在L-精氨酸存在下，CeO₂成功地在Mn/ZIF-67表面生长，形成了核壳结构。EDS元素映射（图1D-H）证实了Co、Mn、Ce、O和N元素在材料中的均匀分布，证明了Mn的成功掺杂和CeO₂的成功负载。FT-IR光谱（图1I）显示，CeO₂@Mn/ZIF-67在约550 cm^-1处出现了Ce-O的特征吸收峰，进一步证实了CeO₂的存在。XRD图谱（图1J）中，CeO₂@Mn/ZIF-67在28.5°、33.1°、47.5°和56.3°处出现了归属于CeO₂的立方萤石结构的特征衍射峰，同时保留了ZIF-67的主要特征峰，表明复合材料的成功合成且ZIF-67的晶体结构未被破坏。XPS分析（图1K-M）用于研究材料的元素组成和化学状态。Co 2p光谱（图1K）显示在781.5 eV和796.8 eV处的峰对应于Co²⁺。Mn 2p光谱（图1L）显示在641.8 eV和653.2 eV处的结合能峰，表明Mn主要以Mn²⁺和Mn³⁺的混合价态存在，这有利于电子转移和催化活性的提高。Ce 3d光谱（图1M）可以解卷积为归属于Ce³⁺和Ce⁴⁺的峰，证明了CeO₂中Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对的存 在，这是其高催化活性的关键。

纳米酶活性研究

对合成的CeO₂@Mn/ZIF-67的过氧化物酶（POD）样活性进行了评估。以3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）为底物，在H₂O₂存在下，CeO₂@Mn/ZIF-67能有效催化TMB氧化生成蓝色的氧化TMB（oxTMB），在652 nm处有特征吸收峰。通过稳态动力学实验测定了纳米酶的米氏常数（K_m）和最大反应速率（V_max）。以TMB为底物时，CeO₂@Mn/ZIF-67的K_m值为0.054 mM，V_max值为64.00 μMs^?1。与已报道的许多纳米酶相比，该材料表现出更低的K_m值（表明对底物具有更高的亲和力）和更高的V_max值（表明更快的催化速率），证明了其卓越的模拟酶活性。这种高活性归因于双金属（Co和Mn）的协同效应以及CeO₂纳米粒子促进的快速电子转移。

亚硝酸盐检测平台的构建

基于CeO₂@Mn/ZIF-67的高过氧化物酶样活性，构建了用于亚硝酸盐检测的比率型比色传感平台。其原理是：纳米酶首先催化H₂O₂氧化TMB生成蓝色的oxTMB（A₆₅₂）。当加入亚硝酸盐（NO₂^?）后，亚硝酸盐与oxTMB发生重氮化反应，生成黄色的重氮化TMB，导致溶液颜色从蓝色变为绿色最终变为黄色，同时在450 nm处出现新的吸收峰（A₄₅₀）。因此，随着亚硝酸盐浓度的增加，A₆₅₂降低而A₄₅₀增加。通过监测吸光度比值A₆₅₂/A₄₅₀的变化，可以实现对亚硝酸盐的定量检测。该方法具有高灵敏度和抗干扰能力。

便携式传感器件的设计

为了实现亚硝酸盐的即时检测（POCT），受一次性酒精拭子的启发，创新性地设计了一种便携式玻璃管水凝胶传感器。该器件将负载有纳米酶的水凝胶封装在玻璃管的一端，而将显色试剂（TMB等）负载在另一端。两端密封的环境限制了试剂的自由流动。当需要检测时，切割玻璃管两端，使显色试剂流入纳米酶水凝胶端，发生显色反应，产生明显的颜色变化。这种设计巧妙地将反应体系集成于小型便携装置中，操作简单，无需大型仪器，非常适合现场快速检测。

结论

本研究成功合成了一种具有优异模拟酶活性的创新材料CeO₂@Mn/ZIF-67。以Co和Mn为金属中心的双金属MOF作为前体，利用L-精氨酸的特殊结构作用在MOF表面诱导合成了CeO₂。各种表征结果有力地证明了材料的成功合成。CeO₂和双金属的协同作用显著增强了纳米酶的催化活性。基于此，开发了一种灵敏的比率型比色法用于亚硝酸盐检测，并设计了一种新颖的便携式玻璃管水凝胶传感器，为实现亚硝酸盐的即时检测提供了有前景的策略。