在铜箔上通过快速电化学方法组装二维金属有机框架纳米酶，以增强对赭曲霉毒素A的敏感SERS检测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Rapid electrochemically-driven assembly of two-dimensional metal-organic framework nanozymes on Cu foil for boosting sensitive SERS detection of ochratoxin A

本研究开发了一种电化学策略，在6分钟内同步合成并锚定二维四羧基苯基卟啉-Fe纳米酶（STCTFzymes）于铜箔表面。该纳米酶因Fe中心催化活性与二维多孔结构协同效应，表现出优异的过氧化氢酶-like活性与抗流失能力。结合OTA aptamer的开关机制，构建了基于SERS的OTA高灵敏检测系统（线性范围0.3-500 ng/mL，检测限0.091 ng/mL），为绿色化学合成与生物传感器开发提供了新思路。

　　纳米酶作为一种新型的催化材料，因其在分析传感领域的广泛应用而备受关注。它们能够模拟天然酶的催化功能，具有纳米尺度的特性、表面界面效应以及可调控的催化活性。与传统酶或酶模拟物相比，纳米酶在合成过程、环境稳定性以及性能可调性方面表现出显著优势。这些特性使其在生物传感器、免疫分析、疾病诊断等多个领域展现出广阔的应用前景。然而，现有的纳米酶合成与固定方法往往存在时间成本高、底物整合效率低等不足，限制了其在实际检测中的应用。

为了克服这些挑战，研究人员开发了一种创新的电化学策略，能够在短短6分钟内实现海绵状二维四(4-羧基苯基)卟啉-铁（Cu-TCPP(Fe)）纳米酶（称为STCTFzymes）的同步合成与固定。该方法通过在铜箔表面进行电化学反应，使铜离子在电极表面持续生成，同时将TCPP(Fe)配体迁移至电极区域。在电极表面，TCPP(Fe)迅速与铜离子反应，形成均匀分布的纳米酶结构。这种电化学辅助自组装技术不仅操作简便、可扩展性强，而且能够在常温常压和生理pH条件下完成纳米酶的固定，避免了传统方法中对高压、真空或高温条件的依赖，从而符合现代绿色化学的理念。

实验结果显示，STCTFzymes表现出优异的过氧化物酶样（POD）活性。这种活性来源于TCPP(Fe)分子中Fe(III)中心的协同作用，能够模拟Fenton反应的氧化还原循环过程，以及二维多孔结构对物质传递的促进作用。由于二维结构减少了质量传递阻力，并有效缩短了自由基的扩散距离，使得底物分子更容易接近活性中心，从而显著提高了催化效率。此外，STCTFzymes通过物理方式从铜箔表面回收，实现了良好的可重复利用性，这进一步增强了其在实际应用中的稳定性与实用性。

为了进一步拓展纳米酶在表面增强拉曼散射（SERS）检测中的应用，研究人员基于STCTFzymes的POD活性，开发了一种靶向响应的SERS检测方法。该方法利用了适配子（aptamer）特异性识别的机制。适配子首先吸附在STCTFzymes表面，占据其催化活性位点，从而抑制其催化活性。当目标分子（如赭曲霉毒素A，OTA）与适配子结合时，适配子会发生构象变化，从而释放出被占据的活性位点，使STCTFzymes恢复催化功能。这种催化活性的恢复会引发特定的SERS信号变化，使得目标分子的检测变得可能。

在实验中，研究人员以OTA为模型分析物，验证了该方法的有效性。结果表明，该方法具有广泛的线性检测范围（0.3-500 ng/mL）和较低的检测限（0.091 ng/mL），并且在选择性和稳定性方面表现出色。这种结合适配子识别机制的SERS检测方法不仅提高了检测灵敏度，还避免了传统纳米酶在SERS检测中可能存在的颜色或信号干扰问题。同时，由于纳米酶直接在电极表面生成，其性能不受支撑材料形状和类型的影响，从而减少了副反应的发生，提高了产物的纯度。

在实际应用中，STCTFzymes成功用于真实谷物样品中OTA毒素的SERS检测，证明了电化学固定纳米酶在食品安全分析中的巨大潜力。这一技术的突破不仅为纳米酶材料的制备提供了新的思路，也为开发高效、高灵敏度的生物毒素检测方法奠定了基础。此外，该方法还为其他生物毒素的检测提供了通用策略，尤其适用于那些本身拉曼散射信号较弱的物质。

值得注意的是，纳米酶的固定方式对其性能有着重要影响。传统方法中，纳米酶通常以粉末或溶液形式存在，这可能导致其在储存过程中发生聚集，进而影响催化性能的稳定性和可重复性。而通过电化学辅助自组装技术，纳米酶能够在固相支撑材料上形成稳定的结构，不仅提高了其在检测过程中的稳定性，还使得材料的回收和再利用成为可能。这种固定方式在一定程度上解决了纳米酶在实际应用中面临的问题，同时为大规模生产和应用提供了便利。

从材料科学的角度来看，金属有机框架（MOFs）因其独特的结构和性能，被认为是纳米酶的理想候选材料之一。MOFs由金属节点和有机配体通过配位键连接而成，具有高比表面积、高孔隙率以及丰富的金属活性位点。这些特性使其能够作为纳米酶的催化中心，同时其多通道和空腔结构可以模拟天然酶的协调环境。因此，MOFs在催化活性和结构调控方面具有显著优势。然而，传统的三维MOF结构由于表面活性位点暴露有限，其催化活性受到一定限制。为了提高催化效率，研究者们开始探索将三维MOF转化为二维MOF的策略。

二维MOF的超薄结构能够有效降低质量传递阻力，并缩短自由基的扩散路径，使得底物分子更易接近活性中心。这一特性在催化反应中尤为重要，因为它可以显著提高催化效率。例如，Hu等人通过自下而上的合成策略，制备了具有POD样活性的二维NH?-Cu-MOF，用于快速荧光传感检测次黄嘌呤。而Li等人则开发了具有更高过氧化氢亲和力的二维Ni/Fe MOF纳米酶，使其能够高效催化过氧化氢生成的自由基对底物的氧化反应。这些研究表明，二维MOF在纳米酶材料中具有独特的优势。

此外，二维MOF在SERS检测中的应用也得到了广泛研究。Sun等人发现，将三维MOF转化为二维MOF后，其表面的配位位点暴露程度显著提高，从而增强了电荷转移效应，使SERS活性大幅提升。另一方面，二维MOF的高比表面积使其能够高效负载SERS活性纳米材料，并富集目标分析物，从而实现对谷胱甘肽、葡萄糖以及农药残留等物质的超灵敏检测。这些研究进一步证明了二维MOF在SERS检测中的潜力。

在本研究中，通过电化学辅助自组装技术，STCTFzymes不仅在铜箔表面形成了稳定的二维结构，还实现了其催化活性的高效利用。这种技术的关键在于其能够同步完成纳米酶的合成与固定，从而避免了传统方法中需要分步进行的复杂操作。同时，由于电化学过程本身具有可控性，使得材料的生长过程可以被精确调节，从而获得均匀且稳定的纳米酶结构。

从应用角度来看，STCTFzymes在SERS检测中的表现尤为突出。其优异的POD活性使得在检测过程中能够产生显著的信号变化，从而提高了检测的灵敏度和选择性。同时，由于适配子的引入，该方法能够实现对目标分子的特异性识别，进一步增强了检测的准确性。这种结合了催化反应和分子识别的策略，不仅适用于OTA的检测，也为其他生物毒素的检测提供了通用方案。

在实际应用中，食品安全是当前社会关注的重要议题。许多食品中可能含有微量的生物毒素，如OTA，这些毒素对人体健康具有潜在威胁。传统的检测方法往往存在检测时间长、灵敏度低或操作复杂等问题，而基于纳米酶和SERS技术的检测方法则能够在短时间内实现高灵敏度的检测。STCTFzymes的开发为食品安全检测提供了一种新的解决方案，其快速、高效、灵敏的特性使其在实际应用中具有重要价值。

此外，电化学辅助自组装技术还为其他类型的纳米酶材料的制备提供了参考。该方法的简便性和高效性使其能够适用于多种纳米材料的合成与固定，从而拓展了纳米酶在不同领域的应用范围。例如，该技术可以用于合成具有不同催化功能的纳米酶，如类氧化酶、类酯酶或类过氧化物酶等，这些纳米酶在生物传感、环境监测和医疗诊断等方面均具有广阔的应用前景。

从环境友好性的角度来看，电化学辅助自组装技术符合绿色化学的原则。与传统方法相比，该技术无需使用高压、真空或高温等苛刻条件，从而减少了能源消耗和设备成本。同时，该方法能够实现纳米酶的直接生长，避免了复杂的表面修饰步骤，减少了化学试剂的使用，降低了对环境的污染。这种可持续的制备方式为纳米酶材料的工业化生产提供了新的思路。

在材料设计方面，STCTFzymes的结构特点使其在催化和信号检测中表现出色。其海绵状的二维结构不仅提供了丰富的催化活性位点，还增强了材料的表面积和孔隙率，从而提高了其对目标分子的吸附能力和反应效率。这种结构设计使得STCTFzymes能够在多种检测条件下保持稳定的性能，为其实用化奠定了基础。

综上所述，本研究通过电化学辅助自组装技术，成功制备了具有优异催化性能的STCTFzymes纳米酶材料，并将其应用于SERS检测中。该方法不仅提高了纳米酶的合成效率和固定稳定性，还为开发高灵敏度、高选择性的生物毒素检测方法提供了新的思路。未来，随着纳米酶材料的不断优化和检测技术的进一步发展，基于纳米酶的SERS检测方法有望在食品安全、环境监测和医疗诊断等领域发挥更大的作用。