类似花朵结构的Ag/MgMn?O?纳米酶通过紫外-可见光谱、拉曼光谱以及智能手机传感平台实现GSH和Cu2+的检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Flower-like ag/MgMn 2O 4 nanozyme detection of GSH and Cu2+ by UV–vis, Raman spectroscopy and smartphone sensing platform

本研究通过溶胶热处理与化学还原法合成Ag/MgMn2O4微花，并基于其模拟氧化酶活性构建三模（UV–vis、智能手机、拉曼）检测平台，实现谷胱甘肽（0.086 μM）和铜离子（0.062 μM）的高灵敏检测，拓展了纳米酶在生物医学和环境监测中的应用。

　　

一科|华国周|一飞李|梦瑶齐|夏张|彭莉|洁诗陈|俊萌

上海工程技术大学材料科学与工程学院，中国上海龙腾路333号，201620

摘要

尽管纳米酶已在重金属污染物的比色检测以及疾病标志物的检测领域得到广泛应用，但开发具有高酶活性的催化剂以适用于紫外-可见光（UV–vis）、智能手机和拉曼（Raman）三种模式仍具有发展潜力。在本研究中，通过整合溶剂热法和化学还原法制备了类似花朵结构的Ag/MgMn₂O₄微球，表现出显著的氧化酶活性。利用Ag/MgMn₂O₄的优异氧化酶活性，我们开发了一个能够同时检测GSH和Cu²⁺的三模式（UV–vis-智能手机-Raman）传感平台，该平台具有多重分析能力。该系统在GSH（0.5–300?μM）和Cu²⁺（0.1–300?μM）浓度范围内表现出宽线性响应，其检测限分别达到0.086?μM（GSH）和0.062?μM（Cu²⁺）。进一步的研究表明，谷胱甘肽（GSH）中的巯基容易与金属位点结合，从而抑制催化剂的催化活性。这一现象为尿液分析在临床诊断中的应用带来了希望。相反，Cu²⁺与GSH形成的复合物有效阻碍了GSH与金属原子之间的结合，这有助于环境中湖水中Cu²⁺的定量检测。因此，基于Ag/MgMn₂O₄氧化酶活性的三模式传感器在生物医学和环境检测领域具有广泛的应用前景。

引言

谷胱甘肽（GSH）是一种含有γ-酰胺键和巯基的三肽，在细胞代谢过程中起着关键作用[1]。GSH具有抗氧化作用，可以保护肝细胞免受损伤[2]。研究发现，GSH广泛分布于人体和动物的组织和体液中[3,4]，在许多生理活动中发挥重要作用。其水平异常可能导致免疫功能障碍，这与阿尔茨海默病[5]、动脉硬化[6]和心血管疾病[7]有关。因此，我们的研究旨在检测尿液中的GSH含量。此外，铜是一种微量元素过渡金属。世界卫生组织（WHO）规定饮用水中铜的最大浓度为0.3?μM。随着工业的快速发展，铜对环境和生物体造成了严重危害[8]。在水中，过量的Cu²⁺会导致严重的水污染，威胁水生动植物的生命[9,10]。在土壤中，受Cu²⁺严重污染的土壤会影响植物的生存[11,12]。由于Cu²⁺也会沉积在水中，当沉积物被搅动时，Cu²⁺会再次造成水污染，从而影响水生动植物的生长，因此我们需要检测水中的Cu²⁺含量。

已有研究报道了多种检测GSH和Cu²⁺的方法，例如Wang等人使用“开-关-开”荧光传感器[13]进行检测；Zhou等人利用电化学发光[14]技术进行检测；还有通过一步法成功合成NE修饰的CDs开发出“开-关-开”比色-荧光双模式生物传感器来检测Cu²⁺和GSH[15]。然而，这些方法在实施过程中存在时间和成本方面的问题。为克服这些困难，我们基于Ag/MgMn₂O₄纳米酶的酶样活性，探索了基于三模式（UV–vis-智能手机-Raman）平台的GSH和Cu²⁺检测方法。其中，拉曼光谱技术和分光光度计技术已在纳米酶检测领域得到广泛应用。随着研究的进展，需要探索更具便携性和准确性的检测方法。新兴的智能手机设备具有多种复杂功能，可以通过拍摄实验图像识别相关颜色数据（如RGB值[16]），且与其他检测方法相比，智能手机便携易用。与单模式传感平台相比，这种三模式组合满足了准确性、易用性和便携性的要求[17]。

天然酶存在许多局限性，如稳定性差、制备困难、成本高和特异性低，这些因素容易影响其酶活性并导致其变性[18,19]。为了突破天然酶的局限，纳米酶因合成简单、稳定性强和可大规模生产而受到广泛关注，并已在许多科学领域得到实际应用[20,21]。许多纳米酶被证明能模拟不同的酶活性：氧化酶[22]、过氧化物酶[23,24]、过氧化氢酶[25]、超氧化物歧化酶[26]。许多研究者报道了具有酶活性的纳米材料，如金属氧化物纳米材料[27]、贵金属纳米材料[28]、碳基纳米材料[29]和金属有机框架纳米材料[30]。AB₂O₄纳米材料主要用于电池领域[31]，而一些纳米材料（如MnCo₂O₄/Ag和NiCo₂O₄）则因其纳米酶活性而被用于生物检测[32,33]。然而，目前尚未有关于Ag/MgMn₂O₄在纳米酶检测领域的研究报道。

在本研究中，我们观察到Ag/MgMn₂O₄微球具有优异的氧化酶活性。基于Ag/MgMn₂O₄纳米酶催化TMB的反应，构建了一个三模式传感平台来检测GSH和Cu²⁺，使TMB氧化变为蓝色TMB_ox。然而，随着GSH浓度的增加，TMB的氧化通道被阻断，TMB_ox的吸光值和拉曼峰也随之降低。该传感器具有UV–vis吸收光谱和拉曼信号输出，保证了检测的准确性。最后，我们建立了一个智能手机传感平台，结合了UV–vis和拉曼技术，实现了传感器的智能化和便携性。这种方法对于检测生物体内的小分子和环境中的离子具有重要意义。

实验部分

化学和表征设备的详细信息见支持材料。

Ag/MgMn₂O₄微球的表征

Ag/MgMn₂O₄微球的制备过程如图1A所示。首先，通过扫描电子显微镜对MgMn₂O₄微球进行了表征。如图1B和C所示，成功获得了MgMn₂O₄微球的形态和尺寸特征，其颗粒大小约为2至5?μm。图1D是MgMn₂O₄元素的映射图像，可见Mg、Mn和O元素的存在。

结论

通过溶剂热法和化学还原法制备了一种新型氧化酶纳米酶Ag/MgMn₂O₄。基于其氧化酶活性，该纳米酶在生物检测和环境检测领域具有重要的应用潜力。我们使用UV–vis-智能手机-Raman三模式检测平台检测了人尿液中的GSH含量以及环境湖水中的Cu²⁺浓度。当存在GSH时，由于GSH的巯基容易与纳米酶的金属位点结合，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了上海材料科学与工程（高能束智能加工与绿色制造）三期重点学科（项目编号：A1-5300-22-0306）的财政支持。