《Inorganic Chemistry Communications》：Synthesis of highly active Mn nanozymes for broad-range glutathione detection and digital readout
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谷胱甘肽（GSH）检测中，通过生物法合成具有氧化酶活性的磁性锰纳米颗粒（Mn NPs），实现宽pH（3-8）和温度适应性下的高效催化检测，结合智能手机图像分析技术，检测范围达0-61.0 μM，检测限0.13 μM，适用于生物样本和环境监测。
Sameera Sh. Mohammed Ameen|Faisal K. Algethami|Khalid M. Omer
伊拉克库尔德斯坦地区扎科大学科学学院化学系，42002扎科
摘要
在各种基质中现场检测谷胱甘肽（GSH）仍然是一个重大挑战。GSH是一种在生物系统中广泛存在的关键生物分子，与多种生理过程相关。在本研究中，通过使用生物生成方法，采用了一种环保且经济高效的绿色合成方法制备了锰纳米颗粒（Mn NPs）。合成的Mn纳米颗粒表现出强烈的氧化酶样活性，在较宽的温度范围和pH值（pH 3–8）内有效催化底物氧化。这种催化性能归因于纳米颗粒内部存在多种锰氧化态（Mn2+和Mn4+）。其显著的催化行为表现为低Km值（0.065 mM）和高Vmax值（14.99 μM min?1），表明其具有强烈的底物亲和力和高催化效率。此外，Mn NPs还表现出强磁性，使其能够轻松回收并重复使用多达七次催化循环，且活性损失很小。通过使用活性氧清除剂进一步研究了其催化机制。通过抑制Mn NPs的氧化酶样活性来检测GSH，从而减少了蓝色氧化TMB（常见的显色底物）的形成。利用与智能手机平台集成的专业图像分析软件对颜色变化进行了量化。在优化条件下，基于智能手机的比色系统对GSH的检测范围为0至61.0 μM，检测限为0.13 μM。该方法在动物肝脏和环境水样中检测GSH时表现出高灵敏度和可靠性。
引言
谷胱甘肽（GSH）是一种天然存在的三肽，由谷氨酰胺、半胱氨酸和甘氨酸组成，在人体中作为重要的抗氧化剂[1]，[2]。它通过中和自由基和活性氧来保护细胞免受氧化损伤，从而帮助防止细胞损伤并维持细胞健康。除了抗氧化功能外，GSH还参与多种重要的生理过程，如解毒、免疫系统支持以及蛋白质的合成和调节[3]。由于GSH作为多种疾病（包括癌症、神经退行性疾病、肝病和心血管疾病）的生物标志物，其检测具有重要意义，因为这些疾病的GSH水平通常会发生显著变化[4]。监测GSH水平可以为早期诊断、评估疾病进展和评估治疗效果提供宝贵信息，使其在临床和研究环境中都至关重要。
用于检测GSH的方法包括荧光、比色、色谱和电化学技术[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]。荧光测定法灵敏度高，但容易受到干扰和淬灭的影响，需要特殊仪器。HPLC方法具有特异性，但速度慢、复杂且成本高，还需要衍生化处理。电化学方法快速灵敏，但可能会遇到电极污染、干扰和重复性问题。LC-MS/MS非常准确且多功能，但价格昂贵、复杂，并受样品基质效应的影响[10]。因此，应考虑开发一种简单、快速、实时、低成本且易于获取的方法来检测GSH，即使在资源有限国家和地区也是如此。
比色方法因其简单性、经济性和易用性而特别适用，尤其是与智能手机结合使用时[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]。比色测定的实用性和快速结果使其非常适合常规筛查和大规模研究，在这些情况下成本效益至关重要[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]。借助配备摄像头和图像分析应用程序的智能手机，可以轻松捕捉和分析比色测定中的可见颜色变化，实现便携式和实时监测[24]，[25]，[26]，[27]。这种集成提高了可访问性，使其成为资源有限或需要快速结果的环境中的现场检测工具[28]，[29]，[30]。因此，开发一种结合比色方法和智能手机的可视化平台非常重要，确保其制备过程简单且材料容易获得。这将提高系统的实用性和可访问性，使其适用于需要简单性和效率的各种应用。
在这方面，用于检测GSH的各种纳米材料包括金属纳米颗粒（金、银）[31]，[32]、碳基材料[33]和金属有机框架（MOFs）[34]，这些材料可以提高灵敏度和稳定性。纳米酶（类似酶的模拟物）已被制备并用于生化检测[35]。纳米酶具有类似酶的催化特性，与天然酶相比具有高稳定性、经济性和易于生产等优点[36]。由于它们能够放大信号、提高灵敏度并在恶劣条件下可靠运行，因此被广泛用于检测应用。然而，许多纳米酶的制备方法依赖于化学方法，这些方法常常存在毒性、步骤复杂、成本高和可扩展性有限等缺点[37]，[38]，[39]，[40]，[41]。这些问题不仅阻碍了它们的广泛应用，还引发了关于环境和健康影响的担忧。因此，需要转向更可持续和环保的替代方案。
绿色合成，有时也称为生物生成或生物合成，涉及使用天然生物材料（包括细菌、真菌、藻类或从中提取的物质）来制备纳米材料[42]。该方法通常涉及将溶液中的金属离子转化为纳米级颗粒，其中生物来源中的化合物在合成过程中起到还原剂和/或稳定剂的关键作用[43]。绿色合成是一种环保、经济且适应性强的方法，可用于生产生物相容性纳米颗粒。它减少了环境影响和能源消耗，使其非常适合医学和环境修复应用[44]。因此，绿色合成方法已被用于制备各种纳米颗粒，包括金属纳米颗粒和金属氧化物[42]，[45]，[46]。
由金属或金属氧化物制成的纳米颗粒，一般尺寸小于100 nm，因其独特的性质和广泛的应用而受到重视。它们在化学过程中作为催化剂发挥作用，提高生化传感器的灵敏度，并在医学中广泛应用于靶向药物递送和诊断成像[47]，[48]。利用富含天然还原化合物的植物提取物制备金属和金属氧化物纳米颗粒是一种环境可持续的绿色策略。这种方法避免了有害化学物质和极端反应条件的使用，产生的纳米颗粒安全、生物相容且无毒[49]，[50]，[51]。它提供了一种经济且环保的替代传统化学方法的方式，同时能够精确控制纳米颗粒的特性。这使得基于植物的合成方法适用于从医疗用途到环境修复的各种应用。
只有少数研究将绿色合成、磁性可回收性和基于智能手机的检测有效地结合在一个系统中[52]，[53]，[54]。在这项工作中，我们通过整合在广泛pH和温度条件下表现出稳定性的生物生成锰纳米酶以及便携式RGB比色平台，推动了该领域的技术进步。这些特点共同增强了我们研究的意义，并明确强调了其独特贡献。结合一种简单、经济且易于扩展的基于植物的方法来生产具有酶模拟特性的纳米级材料，以及一种直观的视觉引导检测方法，提供了显著的优势。在本研究中，使用Pinus brutia制备了锰纳米颗粒（Mn NPs），这些颗粒表现出明显的氧化酶样催化行为。选择Pinus brutia是因为其丰富的植物化学成分，包括多酚、黄酮类化合物、萜类化合物和还原糖[55]。这些化合物在合成过程中发挥了双重作用：作为Mn2+离子的还原剂以及防止纳米颗粒聚集的封端/稳定剂。这些Mn NPs成功地用于常规比色和基于智能手机的模式来检测GSH。进行了全面分析以评估纳米颗粒的结构特征和酶活性。此外，图1展示了纳米颗粒的整个合成过程和GSH的检测机制，突出了该方法的简单性和实用性。
实验部分
所用化学品和设备的详细描述可以在支持信息中找到。
表征
图1A和1B中的FE-SEM显微照片以及图1S中的粒径分布直方图显示，合成的Mn NPs主要是纳米级的，平均直径约为30–50 nm。直方图进一步证实了这一观察结果，表明颗粒大小相对均匀，聚集现象有限。为了确认纳米颗粒的元素组成，进行了EDX分析
结论
总之，通过绿色方法成功合成了一种新型多功能Mn NP系统，并对其进行了全面表征。所得Mn NPs在室温和高温条件下均表现出强大的氧化酶模拟活性。这种增强的催化性能归因于纳米颗粒结构中存在多种锰氧化态（Mn2+、Mn3+和Mn4+），这些氧化态共同促进了其氧化还原反应
CRediT作者贡献声明
Sameera Sh. Mohammed Ameen：撰写初稿、正式分析、数据管理、概念构思。Faisal K. Algethami：可视化、验证、软件开发。Khalid M. Omer：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。
资助
本工作得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）（授权号：IMSIU-DDRSP2602）科学研究系的支持和资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
Sameera Sh. Mohammed Ameen于2014年在伊拉克库尔德斯坦地区的扎科大学获得学士学位，2022年获得分析化学硕士学位。她目前在该大学担任讲师。她的研究兴趣包括生物分析、生物传感器、纳米酶和催化作用，以及设计和开发用于各种科学和实际应用的纳米材料，如碳点、金属有机框架和适配体。
