壳聚糖表面工程化MIL-53(Fe)纳米酶：基于过氧化物酶/氧化酶双重模拟协同效应的高灵敏度过氧化氢生物传感器

本研究针对天然酶稳定性差、成本高的问题，开发了一种壳聚糖修饰的MIL-53(Fe)金属有机框架纳米酶。该材料展现出卓越的过氧化物酶和氧化酶双重模拟活性，实现了对H2O2的高灵敏度检测（LOD=0.3μM），在环境监测和生物医学检测领域具有重要应用价值。

　　

过氧化氢(H₂O₂)作为一种重要的活性氧物种，在工业生产和生物医学领域都具有重要意义。从化学合成、水处理到生物体内的代谢过程，H₂O₂都扮演着关键角色。然而，这种看似普通的分子却是一把双刃剑——适当浓度的H₂O₂是生命活动所必需的，但过量则会导致氧化应激，与糖尿病、肺部疾病等多种健康问题密切相关。在食品安全领域，乳制品和饮料中的H₂O₂残留量更是受到严格监管，澳大利亚和新西兰的食品安全标准规定包装产品中的H₂O₂浓度不得超过147μM。

传统的H₂O₂检测方法包括电化学法、光谱法和荧光法等，其中比色法因操作简单、成本低廉而备受青睐。天然酶如辣根过氧化物酶(HRP)虽然灵敏度高，但存在价格昂贵、纯化困难、稳定性差等固有缺陷，限制了其广泛应用。这促使科学家们致力于开发人工酶模拟物，即纳米酶，来克服这些局限性。

金属有机框架(MOFs)作为一类新兴的多孔晶体材料，因其可调节的孔隙结构和丰富的活性位点，在酶模拟领域展现出巨大潜力。特别是铁基MOF材料MIL-53(Fe)，不仅合成简便、水稳定性好，其较小的孔径结构还能有效避免生物样品中干扰分子的阻塞效应。然而，单纯的MOF材料在灵敏度、响应时间和操作条件等方面仍存在不足，大多数报道的检测方法其检测限仅在微摩尔级别，难以满足高灵敏度应用的需求。

正是在这样的研究背景下，来自伊朗伊斯法罕大学的研究团队开展了一项创新性工作。Parisa Bahmani、Majid Moghadam等研究人员通过简单的后合成策略，成功将天然生物聚合物壳聚糖修饰到MIL-53(Fe)表面，构建了一种具有双重酶模拟活性的纳米复合材料。这项研究成果发表在《Sensing and Bio-Sensing Research》上，为MOF基仿生催化领域带来了突破性进展。

研究人员采用了一系列关键技术方法开展本研究。通过水热法合成了MIL-53(Fe)晶体，并利用表面修饰技术将壳聚糖包覆到MOF表面。采用粉末X射线衍射(PXRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对材料结构进行表征，使用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观察材料形貌，并通过能量色散X射线光谱(EDX)分析元素组成。催化性能研究包括测定温度、pH值、孵育时间、底物浓度和催化剂浓度对酶活性的影响，使用Michaelis-Menten动力学模型评估催化效率，并通过自由基捕获实验探讨反应机制。实际应用方面，研究人员将纳米酶用于检测自来水和水井水中的H₂O₂含量，并评估了方法的选择性。

3.1. 表征

研究人员通过多种表征手段证实了材料的成功合成。PXRD图谱显示壳聚糖包覆后的MIL-53(Fe)保持了良好的结晶性，壳聚糖的引入没有破坏MOF的晶体结构。FT-IR光谱中出现了壳聚糖特有的N-H和O-H伸缩振动峰（3000-3600 cm^-1），证明了壳聚糖的成功修饰。FE-SEM图像显示原始MIL-53(Fe)呈八面体单分散晶体，而壳聚糖包覆后材料呈现出拉长的几何形状。EDX分析进一步证实了纳米复合材料中存在氮元素，这为壳聚糖的成功引入提供了有力证据。

3.2. 活性位点的结构和功能特征

研究团队深入分析了纳米酶活性位点的结构特征。受到天然辣根过氧化物酶中组氨酸残基作用的启发，壳聚糖中的大量-OH和-NH₂基团能够与H₂O₂形成氢键，类似于HRP中的组氨酸作用，促进O-O键断裂。壳聚糖中氮和氧上的孤对电子与铁位点相互作用，调节电荷密度，改善H₂O₂吸附，类似于天然酶中羧基和卟啉配位的作用。这种受HRP启发的生物模拟界面显著提高了MIL-53(Fe)纳米酶的催化效率。

3.3. 催化研究

催化性能研究表明，壳聚糖包覆的MIL-53(Fe)在有无H₂O₂存在下都能催化TMB氧化，产生在369和652 nm处有特征吸收峰的深蓝色溶液。值得注意的是，该材料表现出氧化酶样活性，能够利用环境O₂作为末端氧化剂催化TMB氧化，这为其在无过氧化物条件下的传感应用提供了可能。研究人员通过优化壳聚糖用量发现，30 mg壳聚糖可获得最佳催化活性。

3.4. 温度、pH、孵育时间、底物浓度和催化剂浓度的影响

系统性的条件优化表明，该纳米酶在40°C、pH 4.0、反应时间10分钟、催化剂浓度0.11 mg mL^-1和TMB浓度10 mM条件下表现出最佳催化活性。值得注意的是，过氧化物酶样和氧化酶样活性在这些最佳条件下完全相同，这简化了实际操作过程，无需为每种酶活性单独优化条件。

3.5. 动力学参数

动力学研究表明，壳聚糖包覆的MIL-53(Fe)对H₂O₂的K_m值(0.078 mM)远低于HRP(3.702 mM)和其他MOF基纳米酶，表明其对H₂O₂具有更高的亲和力。同时，其对H₂O₂和TMB的V_max值分别达到147.77×10^-8 M s^-1和53.11×10^-8 M s^-1，显著高于HRP和其他对比材料，表明其具有更高的催化效率和更快的响应速度。

3.6. 壳聚糖包覆MIL-53(Fe)的酶样活性机制

通过自由基捕获实验，研究人员发现叔丁醇(TBA)和异丙醇(IPA)等·OH自由基清除剂能显著抑制TMB氧化反应，表明催化机制涉及·OH自由基的产生。推测的机制是：H₂O₂通过氢键或静电作用吸附在材料表面，O-O键断裂产生·OH自由基，进而氧化TMB生成蓝色产物。

3.7. 壳聚糖包覆MIL-53(Fe)的可重复使用性

可重复使用性测试表明，该纳米酶在经过5次循环使用后仍能保持大部分催化活性，仅因离心过程中的材料损失而略有下降，证明其具有良好的稳定性和可重复使用性。

3.8. H₂O₂检测

基于该纳米酶的过氧化物酶样活性，研究人员建立了H₂O₂的比色检测方法。在最优条件下，该方法在0-2 μM范围内呈现良好的线性关系(R²=0.9923)，检测限(LOD)为0.3 μM，定量限(LOQ)为0.9 μM，显著低于此前报道的大多数过氧化物酶模拟物。随着H₂O₂浓度增加，溶液颜色从无色变为深蓝色，可通过肉眼直观判断。

3.9. 自来水和井水中H₂O₂的检测

实际样品检测表明，该方法对自来水和井水中加标的H₂O₂回收率分别在92.2%-96.55%和90.2%-95.25%之间，相对标准偏差(RSD)均低于3.12%，表明该方法具有良好的准确度和精密度，适用于实际样品的分析。

3.10. 选择性评估

选择性实验显示，Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-和NO₃^-等常见干扰物质对检测信号没有显著影响，证明该方法对H₂O₂检测具有高选择性。

本研究成功开发了一种壳聚糖表面修饰的MIL-53(Fe)纳米酶，该材料展现出卓越的过氧化物酶和氧化酶双重模拟活性。通过系统的条件优化和机理研究，研究人员确定了最佳反应条件，并揭示了其催化机制涉及·OH自由基的产生。该纳米酶对H₂O₂表现出高亲和力(K_m=0.078 mM)和高催化效率(V_max=147.77×10^-8 M s^-1)，基于此建立的比色检测方法具有高灵敏度(LOD=0.3 μM)、良好的选择性和可重复使用性。

这项研究的重要意义在于：首先，它提供了一种简单有效的策略来提升MOF材料的催化性能，通过天然聚合物修饰实现功能增强；其次，该纳米酶兼具过氧化物酶和氧化酶双重活性，且最佳反应条件完全相同，大大简化了实际操作过程；第三，所开发的H₂O₂检测方法灵敏度高、选择性好，能够满足实际样品检测需求；最后，这种基于MOF的纳米酶平台具有成本低、制备简单、稳定性好等优点，为新一代生物传感技术的发展提供了可靠、可扩展的解决方案。

该技术平台不仅可用于H₂O₂检测，还有潜力扩展到金属离子检测、抗菌应用和环境治理等领域，特别是在需要无过氧化物条件的生物医学应用中具有独特优势。这项研究为MOF基仿生催化材料的设计和应用提供了新思路，推动了纳米酶技术在生物传感、环境监测和临床诊断领域的实际应用。