MOF介导的CuNi-BTC/Ni2+四(对苯二胺)复合材料的纳米结构：一种用于乙酰胆碱酯酶活性检测和抑制剂筛选的超灵敏光热平台

《Microchemical Journal》：MOF-mediated nanoarchitectonics of CuNi-BTC/Ni2+-tetra( p-phenylenediamine) composites: An ultrasensitive photothermal platform for acetylcholinesterase activity assay and inhibitors screening

CuNi-BTC/Ni2+四聚PPD光热复合材料通过协同MOF模板策略实现高灵敏AChE检测，在808nm激光下光热转换效率达39.8%，检测限0.056 μU mL?1，并成功筛选抗胆碱酯酶药物。

　　

赵鲁菊|徐金菊|杨淑萍|王星颖|张宁辉|史书云|郭颖

中南大学化学与化学工程学院，中国湖南长沙410083

摘要

开发新型光热材料以用于超灵敏传感应用仍然具有吸引力，但同时也充满挑战。本文报道了一种协同的MOF模板策略，用于构建高性能光热复合材料CuNi-1,3,5-苯三羧酸/Ni²⁺-四(对苯二胺)（CuNi-BTC/Ni²⁺-tetraPPD）。在CuNi-BTC中，Cu²⁺和Ni²⁺位点协同作用，指导Ni²⁺-tetraPPD聚集体在孔内的氧化聚合和原位组装。所得CuNi-BTC/Ni²⁺-tetraPPD复合材料表现出强烈的近红外（NIR-I）吸收，并在808纳米激光照射下实现了39.8%的光热转换效率。利用这种光热响应，基于硫代胆碱（TCh）（乙酰胆碱酯酶（AChE）的酶促产物）对复合材料形成的抑制作用，开发了一个生物传感平台。该方法能够以0.056 μU mL^?1的检测限实现对AChE活性的超灵敏定量。该平台还显示出对干扰物（包括丁酰胆碱酯酶和常见的生物还原物质）的优异选择性，以及高重复性和稳定性。通过使用临床药物利凡斯的明和多奈哌齐进一步验证了其在AChE抑制剂筛选中的实用性。总体而言，这种光热策略提供了一种强大、灵敏且选择性的分析工具，对于阿尔茨海默病的早期诊断和高通量抑制剂发现具有巨大潜力。

引言

阿尔茨海默病（AD）是一种慢性神经退行性疾病，其特征是认知和行为能力下降，通常在中年或晚年发病，病情不可逆，是全球第五大死亡原因[1]，[2]。据估计，到2030年将有超过8000万人患有AD，到2050年这一数字将上升到1.5亿，凸显了其作为重大全球公共卫生挑战的影响[3]。越来越多的证据表明，乙酰胆碱酯酶（AChE）活性的异常升高是早期AD诊断的关键生物标志物，而AChE抑制剂已被确立为缓解AD症状的一线治疗药物[2]，[4]。因此，开发高效、灵敏和准确的分析平台以监测AChE活性和筛选潜在抑制剂对于改善AD的早期诊断和治疗策略具有重要意义。

迄今为止，已经开发了多种方法来检测AChE活性并筛选其抑制剂，这些方法主要基于AChE催化的乙酰胆碱（ATCh）水解为硫代胆碱（TCh），包括比色法、荧光法、电化学法、化学发光法、表面增强拉曼散射法和光热法[5]，[6]，[7]，[8]，[9]。其中，比色法和荧光法应用最为广泛；然而，它们有时容易受到仪器性能和环境波动的影响，这可能会最终影响生物传感器的性能[8]，[9]。相比之下，光热传感作为一种强大的分析技术受到了广泛关注，具有背景干扰小、信噪比高、读出速度快和动态检测范围广等优点[9]，[10]。开发灵敏的光热生物传感器关键依赖于具有高光热转换效率（PCE）的光热材料，并结合特定的分子识别元件[11]。尽管如此，只有有限的光热策略被应用于与AChE相关的生物传感[12]，[13]，[14]。现有的研究主要集中在基于过氧化物酶类似纳米酶与3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）的传感平台，其中TCh会阻塞纳米酶的活性位点，减少光热剂氧化TMB（oxTMB）的生成，然后监测AChE及其抑制剂[8]，[13]，[14]。尽管取得了显著成就，但这些方法存在一些局限性：（i）TMB/oxTMB容易被生物氧化还原基质氧化/还原，缺乏选择性会降低检测准确性；（ii）对AChE相对于丁酰胆碱酯酶（BChE，ATCh的非特异性水解且催化效率较低）的选择性仍然是一个关键挑战，进一步影响了检测准确性[4]。因此，开发具有超高灵敏度和优异选择性的新型光热生物传感平台仍然是该领域的一个挑战和重要目标。

光热聚合物因其优异的光热性能、高光热稳定性、结构多样性和良好的生物相容性而受到广泛关注[15]。值得注意的是，苯二胺（例如对苯二胺（OPD）、间苯二胺（MPD）和对苯二胺（PPD）是具有氧化还原活性的分子，可以通过化学氧化剂或纳米酶氧化和聚合形成聚合物[4]，[16]。由此产生的π共轭聚合物通常在近红外（NIR）窗口具有吸收特性，并能在808纳米激光照射下实现高效的光热转换[17]。先进纳米结构的发展使得能够精确构建具有多种传感应用特性的功能材料[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。李等人筛选出Cu-BTC（BTC，1,3,5-苯三羧酸）金属有机框架（MOF）作为类似过氧化物酶的纳米酶，可催化OPD聚合为diOPD聚合物（Cu-BTC/diOPD），建立了AChE的光热检测方法，检测限为50.0 μU mL^?1[12]。我们之前的工作表明，Ni²⁺可以与OPD/中间体上的氮原子配位，指导氧化聚合路径形成Ni²⁺-triOPD复合物[16]，[23]。在CuNi-BTC催化系统中，这些Ni²⁺-triOPD物种进一步在孔内原位组装成聚集体，显示出红移的NIR吸收峰和显著更高的光热转换效率（PCE） compared to DAP纳米颗粒[23]。基于这些发现，可以通过CuNi-BTC/Ni²⁺-triOPD聚集体的光热信号变化来检测AChE活性，检测限达到13.41 μU mL^?1（图S1）。有趣的是，PPD可以聚合成比来自OPD或MPD的寡聚物更长的共轭链[19]，[24]。此外，Ni²⁺可以加速PPD的聚合过程[25]，[26]，[27]。因此，有理由假设基于Ni的氧化还原MOF可以有效调节PPD的聚合和组装，从而产生具有优异NIR吸收和光热特性的材料，为设计具有增强灵敏度的新型生物传感策略提供了一个有前景的平台。然而，据我们所知，目前尚未有相关报道。

在这里，我们报道了CuNi-BTC/Ni²⁺-tetraPPD复合材料的合理设计，作为一种高性能光热传感平台，用于超灵敏检测AChE及其抑制剂。该系统的光热转换效率（PCE）达到39.8%，AChE的检测限（LOD）为0.056 μU mL^?1，超过了大多数已报道的方法（表S1）。如图1A所示，CuNi-BTC充当了双功能模板：Cu²⁺位点催化PPD的氧化聚合，而Ni²⁺位点与氮原子配位，指导聚合路径，促进Ni²⁺-tetraPPD聚集体在CuNi-BTC孔内的形成。所得CuNi-BTC/Ni²⁺-tetraPPD复合材料作为高效的光热探针（图1B）。传感机制依赖于AChE催化的ATCh水解产生TCh，后者抑制CuNi-BTC的催化活性，从而抑制复合材料的形成并产生可测量的光热信号降低。这种策略有效地减少了背景干扰，为诊断应用和药物发现提供了一个稳健的平台。

试剂和设备

试剂和设备的详细信息见电子补充材料。

CuNi-BTC/Ni²⁺-tetraPPD复合材料的制备

CuNi-BTC的合成方法参照我们之前的报告[23]。简而言之，将Ni(NO₃)₂·6H₂O（2.28克）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF，40毫升）混合并超声处理15分钟至完全溶解，然后加入H₃BTC（0.88克），转移到内衬特氟龙的不锈钢反应器（100毫升）中，在150°C下反应24小时以合成Ni-BTC。之后，加入Ni-BTC（1.0克）、Cu(NO₃)₂·3H₂O（0.2克）等成分

由CuNi-BTC改性的PPD的光谱和光热性质

PPD的聚合通常由Cu-BTC和Fe-BTC介导，因为它们均匀分布的Cu²⁺/Fe³⁺位点促进了反应[12]，[24]。为了评估MOF组成的作用，随后评估了与MOF（Cu-BTC、CuNi-BTC、Fe-BTC、FeNi-BTC）和金属离子系统反应后PPD的光谱和光热性质。这些MOF材料的成功合成通过图S2–S4中的表征数据得到证实。

结论

总结来说，我们成功构建了一种基于CuNi-BTC/Ni²⁺-tetraPPD复合材料合理组装的新型光热生物传感平台，实现了AChE活性的超灵敏检测和高效抑制剂筛选。CuNi-BTC的协同Ni²⁺/Cu²⁺配位-氧化策略不仅指导了PPD在孔内的聚合形成Ni²⁺-tetraPPD聚集体，还通过扩展的π共轭作用增强了光热性能，

CRediT作者贡献声明

赵鲁菊：撰写——原始草稿、验证、方法学、研究、正式分析、数据管理、概念化。徐金菊：验证、方法学、研究、正式分析。杨淑萍：方法学、研究、正式分析。王星颖：方法学、数据管理、概念化。张宁辉：可视化、验证、数据管理。史书云：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法学、资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢中国国家重点研发计划（编号：2023YFD2100305）、湖南省自然科学基金（编号：2024JJ8119）以及中南大学基本科研业务费（编号：2026ZZTS0716）的财政支持。