白色Mn-MOF纳米酶：具有过氧化物酶特异性活性的新型比色试纸条材料克服颜色和O2干扰

《Communications Chemistry》：White Mn-MOF nanozymes with peroxidase-activity specificity overcome color and O2 effects on colorimetric test strips

本研究针对纳米酶在比色试纸条应用中存在的多酶活性和自身颜色干扰问题，开发了一种通过简单超声法制备的白色超薄二维Mn-MOF纳米酶。该材料不仅具有专属的过氧化物酶样活性（无氧化酶样活性），能有效抵抗O2干扰，还表现出独特的底物选择性（特异性催化TMB氧化）。其白色特性源于特定的金属-配体配位聚合，可增强试纸条白度，提高检测对比度。该研究为开发无干扰光学设计和抗O2现场检测的MOF纳米酶提供了新思路。

　　

在快速检测技术蓬勃发展的今天，比色试纸条因其成本低、便携性好、稳定性高等优势而备受青睐。然而，作为试纸条核心元件的天然酶存在制备复杂、稳定性差、成本高等应用瓶颈。纳米酶（nanomaterials with enzyme-like activity）的出现为这一领域带来了新的希望，这类具有类酶活性的纳米材料兼具高催化活性、易制备、稳定性好等优点。但遗憾的是，现有纳米酶仍面临两大技术难题：一是多数过氧化物酶样（peroxidase-like）纳米酶同时具有氧化酶样（oxidase-like）活性，使得显色底物能被空气中的O₂直接氧化，导致检测结果受环境O₂浓度波动的影响；二是纳米酶自身常呈现黄色（V₂O₅、CeO₂）、黑色（Co₃O₄、Fe₃O₄）、棕色（CuO、MnO₂）等多种颜色，这些颜色会干扰白色试纸条上显色结果的判读。

针对这些挑战，青岛农业大学化学与药学院韩磊团队在《Communications Chemistry》上发表了一项创新性研究。研究人员通过简单的超声方法成功合成了白色Mn基金属有机框架（Mn-MOFs）纳米酶，该材料具有超薄的二维形态（厚度仅3nm），不仅解决了颜色干扰问题，还实现了催化活性的双重特异性。

研究团队采用超声合成法，以MnCl₂和对苯二甲酸（terephthalic acid, TPA）为原料，在含DMF（dimethylformamide）和三乙胺（triethylamine）的溶液中快速反应，成功制备出白色Mn-MOF纳米片。表征结果显示，该材料具有二维超薄结构（平均厚度3nm），在300-900nm波长范围内无吸收峰，X射线衍射（XRD）图谱与单斜晶系Mn₄(TPA)₄(H₂O)₈结构一致。X射线光电子能谱（XPS）分析证实锰元素以Mn²⁺形式存在，Mn 3s峰分裂值为6.0eV，与Mn²⁺特征相符。

为阐明材料白度的起源，研究人员系统排除了纳米结构散射、缺陷态发光等常见机制。通过金属离子（Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺）和配体（TPA、ATPA、TMA）的替换实验，发现只有在Mn²⁺-TPA组合时才能产生白色材料。色度参数测定显示Mn-TPA MOF的亮度值（L*）达93.09，白度指数（WI）达93.78，紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）显示在450-800nm范围内反射率约90%，计算带隙为4.02eV，表明其白度源于特定的金属-配体配位聚合，而非形态特征或缺陷态。

催化性能研究表明，Mn-MOF纳米酶表现出专属的过氧化物酶样活性，在醋酸缓冲液（pH 4.0）中能催化H₂O₂氧化TMB产生652nm特征吸收峰，而在无H₂O₂条件下，即使在O₂饱和气氛中也不显示氧化酶样活性。稳态动力学分析显示其对TMB和H₂O₂的K_m值分别为0.31mM和0.063mM，表明具有良好底物亲和力。Lineweaver-Burk双倒数图显示平行线特征，符合Ping-Pong催化机制。

尤为重要的是，该纳米酶表现出独特的底物选择性，能特异性催化TMB氧化，而对ABTS（2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt）、OPD（o-Phenylenediamine）和DAB（diaminobenzidine）等常见底物无催化活性。通过DCFH-DA荧光探针和电子自旋共振（ESR）谱分析，证实催化过程中不产生ROS（reactive oxygen species），这为其底物选择性提供了可能机制。分子对接模拟显示，TMB与Mn-MOF主要通过Pi-sigma和多个烷基/Pi-烷基疏水相互作用结合，并能进入MOF内部结构，而ABTS仅存在弱Pi-阴离子相互作用，且位于结构外围。

基于这些优异特性，研究团队构建了Mn-MOF纳米酶比色试纸条。与常见有色纳米酶不同，白色Mn-MOF不仅能避免颜色干扰，还能增强试纸条白度，提高显色对比度。H₂O₂检测试纸条在5-400μM范围内呈现良好线性关系，检测限达0.43μM，且不受气氛中O₂浓度影响。通过将葡萄糖氧化酶（GOx）和肌氨酸氧化酶（SOx）分别与Mn-MOF纳米酶耦合，成功构建了葡萄糖和肌氨酸检测试纸条，检测限分别为0.49μM和0.27μM，并表现出良好选择性。

在实际样品检测中，海参、海蜇浸泡水中的H₂O₂，苹果、葡萄中的葡萄糖，以及牛肉、鸡肉中的肌氨酸检测均获得满意回收率（98.9%-103.2%），相对标准偏差（RSD）小于5.04%，证实了该方法在实际应用中的可靠性。

本研究的关键技术方法包括：超声合成法制备超薄二维Mn-MOF纳米片；系统表征技术（TEM、AFM、XRD、XPS、BET等）分析材料结构；荧光光谱和ESR谱分析催化机制；分子对接模拟底物选择性；智能手机RGB值定量分析试纸条检测性能；实际样品来自海参、海蜇浸泡水、水果匀浆和肉类超声提取液。

研究结论表明，白色Mn-MOF纳米酶通过特定的Mn²⁺-TPA配位聚合实现了光学特性的精准调控，其双重催化特异性（反应特异性和底物特异性）为消除比色分析中的O₂和颜色干扰提供了创新解决方案。该工作不仅建立了理解MOF纳米酶白度起源的系统方法，还为开发无干扰光学设计和抗O₂现场检测平台提供了新范式，有望推动纳米酶在便携式监测设备中的实际应用。

尽管纳米酶纸基传感器整合了纳米酶和纸基材的优势，但从学术研究向商业化应用过渡仍面临批间重现性、更高特异性纳米酶开发等挑战。未来，将可调谐的MOF光学特性与酶学特异性相结合，有望为低成本、便携式监测平台带来革命性突破。