未经功能化的原始MOF材料作为一种性能优异的氧化酶模拟物，具有广泛的pH值和温度稳定性，适用于基于溶液和纸质的检测方法，以实现食品抗氧化剂的超灵敏检测

《Inorganic Chemistry Communications》：Pristine non-functionalized MOF as a robust oxidase mimic with broad pH and thermal stability for ultrasensitive detection of food antioxidants using solution and paper-based assays

　　

Sameera Sh. Mohammed Ameen | Faisal K. Algethami | Khalid M. Omer

伊拉克库尔德斯坦地区Zakho大学科学学院化学系，邮编42002

摘要

我们合成的基于金属有机框架（MOF）的氧化酶纳米酶UoZ-9（UoZ代表Zakho大学）具有卓越的pH值和热稳定性，在酸性、中性及微碱性介质中，在5–90°C的宽温度范围内表现出显著的催化活性。传统的纳米酶通常只能在狭窄的pH值和温度范围内工作，这限制了它们在复杂食品系统中的应用。因此，扩展这些操作限制对于开发能够在多样环境（包括溶液和纸质平台）中保持高催化性能的纳米酶至关重要。UoZ-9的多功能特性，即其宽广的pH值和温度耐受性、出色的稳定性和强烈的催化活性，使其成为催化传感应用的有希望的候选者。动力学研究表明，在pH 4和pH 7时，其米氏常数（Km）分别低至0.074和0.079 mmol/l（在10°C时）以及0.071和0.077 mmol/l（在60°C时），表明其在广泛环境条件下的底物亲和力和催化效率稳定。此外，半胱氨酸、抗坏血酸和谷胱甘肽通过单电子转移和氢原子转移机制有效抑制了UoZ-9的氧化酶活性，使其能够作为总抗氧化能力（TAC）检测的敏感探针。基于这一原理，我们成功开发了基于溶液和纸基的传感平台，用于在不同pH值和温度条件下检测食品样品中的TAC。UoZ-9基检测方法表现出优异的准确性、精确度、稳定性和鲁棒性，突显了其在复杂食品基质中进行可靠抗氧化分析的潜力。

引言

纳米酶或酶模拟物是一类具有酶性质的纳米材料，能够执行类似于天然酶的催化功能[1],[2],[3],[4],[5]。这些材料在纳米尺度上被设计出来，以复制各种生物酶（如过氧化物酶、氧化酶和过氧化氢酶）的作用[6],[7],[8],[9],[10]。与传统酶相比，纳米酶具有多种优势，包括 improved stability（提高的稳定性），使它们能够在更恶劣的条件下保持催化活性。此外，通过改变其大小、形状和表面性质，可以调节和控制它们的催化活性，从而使其在广泛的应用中具有高度适应性[11],[12],[13],[14],[15],[16],[17]。此外，纳米酶的制造过程通常比天然酶的生产更简单且成本更低，因为它们不需要复杂的生物系统或纯化步骤[18],[19],[20],[21],[22],[23]。因此，纳米酶在生物传感、诊断和环境修复等领域得到了越来越多的应用，为研究和工业应用提供了有前景的替代方案[24],[25],[26],[27],[28],[29],[30],[31]。在过去的十年中，纳米酶在生物医学、环境清理、生化传感和催化等多个领域找到了应用[32],[33]。

大多数纳米酶面临的限制是它们在低pH值（低于5）和狭窄的温度范围（30–50°C）下无法工作。例如，关于过氧化物酶类似纳米酶的最早报道包括Fe₃O₄纳米颗粒（pH 3.5，温度40°C）[34]、铂族金属纳米颗粒（Pt、Pd、Rh和Ir，pH 4，室温）[35]、氧化铈（pH 4，温度25°C）[36]以及其他各种过氧化物酶纳米酶。对于类似氧化酶的纳米酶，许多纳米酶的pH值和温度范围有限，例如二维钴基MOF（pH 3，20–60°C）[37]和Pd纳米酶（pH 4）[38]。尽管如此，过氧化物酶纳米酶得到了广泛的应用。然而，由于H₂O₂的化学不稳定性和非绿色工艺，基于过氧化物酶的应用并不理想。

因此，设计出高效模拟氧化酶活性的纳米材料至关重要，特别是那些不需要过氧化氢的材料。这些材料应在广泛的pH范围内具有功能性，包括生理pH值，这对于生物系统或医学诊断中的应用至关重要。此外，理想的纳米材料必须在低温和高温条件下都能保持其催化性能，确保在各种环境和工业环境中的适用性。这种灵活性使它们能够用于实际应用，如即时检测设备、环境监测或冷链物流，这些领域中温度变化很常见。实现这些目标的关键在于选择合适的材料作为催化剂。材料的选择至关重要，因为它直接影响纳米酶的稳定性、活性和适应性。材料的组成、大小、表面结构以及功能性基团的存在在其有效模拟氧化酶活性和在不同操作条件下的能力中起着重要作用。通过精心设计这些纳米材料，可以开发出不仅高效而且坚固的催化剂，确保在多样环境中的可靠性能。

金属有机框架（MOFs）是由金属离子或簇与有机配体（连接剂）结合而成的多孔纳米和/或微米级材料，形成了三维晶格[39],[40],[41],[42],[43],[44],[45],[46]。由于其可定制的孔径、表面积和多种功能，它们在气体储存、分离[47],[48],[49],[50],[51]、催化[52],[53],[54],[55],[56],[57],[58],[59]、药物输送和传感[60],[61],[62],[63],[64],[65],[66]等方面具有广泛应用。它们的独特属性在学术和工业领域引起了广泛关注。

在广泛的pH值和温度范围内检测目标对于理解其在不同条件下的行为以及确保方法的可靠性至关重要。这种方法提高了检测技术的稳健性，使其适用于食品安全、制药和环境监测等实际应用。许多MOFs因其多样的金属活性位点而被用作纳米酶，使其成为催化应用的优秀候选者。此外，计算建模和机器学习的进步加速了针对特定催化反应的高效纳米酶的发现，为工业和医学领域带来了更可持续和更具成本效益的解决方案。尽管一些MOFs在有限的pH值和温度范围内表现良好[67]，但仍存在一些限制，特别是对pH值和温度的敏感性，这阻碍了更先进的应用。因此，克服这些限制非常重要。

总抗氧化能力（TAC）指的是样品中抗氧化剂中和自由基或活性物质的累积能力，提供了其抗氧化潜力的总体衡量标准[68]。在不同pH值（酸性、中性和碱性）和不同温度条件下检测TAC对于理解抗氧化剂的稳定性和有效性至关重要。酸性条件代表胃部环境，中性pH值反映了如血浆等生理系统，而碱性条件与工业或环境设置相关[69]。在这些条件下评估TAC可以提供有关抗氧化剂稳定性和有效性的宝贵见解，有助于推进基于抗氧化剂的药品、功能性食品和工业配方的开发。此外，实时纸基TAC检测对于实现快速、经济且用户友好的评估方法至关重要，这对食品安全控制、医疗保健和环境监测等实际应用都非常相关。

在这项工作中，我们合成了一种基于银的MOF，称为UoZ-9，它在酸性、中性及微碱性pH值和广泛的温度范围内具有高效的氧化酶活性，使其成为各种应用的理想生物催化剂（图1）。这项工作介绍了一种基于MOF的氧化酶，在广泛的pH值（酸性到微碱性）和温度范围（5–90°C）内具有前所未有的操作稳定性，克服了传统纳米酶的狭窄工作条件，使得在复杂的食品基质中进行稳健的催化传感成为可能。使用常见的显微镜和光谱技术对UoZ-9进行了全面表征。计算了不同pH值和温度下催化剂的动力学参数Km和Kcat。UoZ-9被用于在不同水果样品中检测TAC，利用了氢原子转移（HAT）和单原子转移（SET）机制。酶模拟性质的研究通过实验调查得到了很好的研究。

章节片段

实验部分

关于所用化学品和仪器的详细信息在 Supporting Information 中提供了详细说明。

表征

材料表征对于理解合成材料的结构和组成特性起着关键作用。如图1 A和B所示，对UoZ-9进行的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）分析显示其具有明显的片状和层状形态，颗粒密集排列，尺寸从微米级（1–2 μm）到亚微米级（200–500 nm）不等。为了进一步验证UoZ-9的元素组成，使用了能量色散X射线（EDX）光谱。

结论

总之，我们成功开发了一种高度多功能的基于MOF的氧化酶类似纳米酶UoZ-9，它在广泛的pH值（3.0–8.0）和极端温度（5°C至95°C）范围内表现出优异的催化效率。这种多功能纳米酶表现出显著的催化稳定性，如其动力学参数（Km和Kcat）所示，这些参数基本不受pH值和温度变化的影响。这种稳定性突显了其稳健性...

CRediT作者贡献声明

Sameera Sh. Mohammed Ameen：撰写——原始草稿、研究、数据分析、概念化。Faisal K. Algethami：可视化、验证、软件、资源。Khalid M. Omer：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。

资助

这项工作得到了Imam Mohammad Ibn Saud伊斯兰大学（IMSIU）科学研究部的支持和资助（授权号IMSIU-DDRSP2602）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

Sameera Sh. Mohammed Ameen她于2014年在伊拉克库尔德斯坦地区的Zakho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、细菌分析、纳米酶以及纳米材料（如碳点、金属有机框架和适配体）的设计与开发，用于各种科学和实际应用...