基于铁单原子纳米酶的双模式电化学与比色传感技术，用于超灵敏检测绿原酸

《Microchemical Journal》：Iron single-atom nanozyme-enabled dual-mode electrochemical and colorimetric sensing for ultrasensitive detection of chlorogenic acid

　　

王贝贝|牛永哲|王兰月|沈一清|王林|李贤瑞|李定定|康凯|季学平

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  通过级联锚定策略，在一步KOH活化的ZIF-8衍生多孔碳上合成了单原子Fe纳米酶（Fe–KAC）。
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  构建了一个双检测平台，结合电化学和比色信号用于绿原酸的测定。
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  对来自五个产区的金银花样本进行了准确的金原酸定量分析，加标回收率为92.94–106.4%（n=3），结果与HPLC法高度吻合。
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  证明了该方法在金银花产品常规质量评估及产地相关质量筛查中的适用性。

引言

Lonicera japonica Thunb.（金银花）是一种广泛使用的药用及食用植物，越来越多地被用于花草茶、膳食补充剂及其他商业产品中。植物化学和药理学研究显示，金银花中含有多种生物活性成分，包括酚酸、黄酮类化合物和环烯醚萜类物质，这些成分具有抗菌、抗病毒和抗炎作用[1]、[2]。随着市场需求的增加，品种和产品配方的多样化导致其化学成分存在较大差异，从而影响产品质量[3]、[4]、[5]。在此背景下，作为最丰富的酚酸之一，绿原酸常被用作金银花衍生产品的关键质量指标。因此，建立一种可靠且实用的金原酸定量方法，对于金银花制剂的常规标准化和质量控制至关重要。

目前已有多种分析方法可用于金原酸的测定，包括高效液相色谱法（HPLC）、分子印迹识别技术、近红外光谱法和电化学方法[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。其中，电化学传感因快速、灵敏且操作简便而适用于常规检测。然而，在复杂的食品基质中，单一模式的检测容易受到基质效应的影响，从而导致实际分析中出现偏差。双模式策略通过提供两种独立的检测信号进行交叉验证，有效提升了结果的可靠性，降低了单一模式传感的局限性[11]、[12]、[13]。紫外-可见光谱法是一种简单可靠的分析技术，既能实现可视化检测，又能快速得出结果[14]。它可与电化学传感器结合，形成双模式检测系统。不过，开发双模式传感器的关键在于找到能够将目标物质识别结果准确转化为电化学信号和紫外-可见光谱信号的多元信号输出探针。

随着纳米技术的快速发展，各种新型纳米材料应运而生，其中纳米酶因其优异的稳定性、低成本和可调控的催化性能，在生物传感领域受到了广泛关注[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。以Fe(III)为基质的纳米酶尤其具有吸引力，因为它们具有多样的催化活性以及出色的光学/电化学特性[20]、[21]。除了已广泛报道的过氧化物酶样活性外，越来越多的证据表明，以铁为中心的催化位点还可能具有漆酶样活性，能够氧化酚类化合物并激活溶解氧产生超氧自由基（O?•^?）[22]。这种漆酶样活性使得基于Fe(III)的纳米酶特别适合检测多酚类化合物，如绿原酸，为灵敏的比色-电化学双模式检测提供了可能。

近年来，单原子催化剂和单原子纳米酶的出现将纳米酶技术提升到了原子级别。单原子纳米酶具有独特的原子结构和电子配位方式[23]。此外，金属中心在原子级别的分散提高了原子利用率，增加了单原子纳米酶中活性位的密度[24]。因此，与传统纳米酶相比，单原子纳米酶展现出更强的催化活性。不过，处于原子级别的原子具有极高的表面自由能，因此在合成过程中容易发生聚集，这对单原子纳米酶的应用构成了重大挑战。为解决这一问题，建立金属原子与其载体之间的强相互作用十分重要，这能有效防止孤立原子的迁移和聚集。

作为金属-有机框架的微孔亚类，沸石咪唑酯框架可以通过碳化和化学活化转化为高比表面积的多孔碳，这类材料非常适合承载单原子物种[25]。在各种活化方法中，KOH活化因效率高且操作简单而被广泛采用，它能增加材料的孔隙度，并丰富含氧表面功能团[26]。在实际应用中，可采用一步法（先用KOH浸渍，再通过一次加热同时实现碳化和活化）或两步法（先通过碳化得到炭，再对其进行KOH活化）。研究表明，与两步法相比，一步活化得到的碳具有更发达的孔隙结构和更高的比表面积，同时还能减少加工步骤及相关成本[27]。

基于以上考虑，我们利用一步KOH活化的ZIF-8衍生多孔碳作为载体，通过级联锚定策略制备出了单原子铁纳米酶Fe-KAC。与以往许多主要依赖单一电化学、光电化学、电化学发光或分子印迹识别模式的金原酸传感器不同，所开发的Fe-KAC平台将模拟酶作用的比色检测与电化学定量检测相结合，且均使用相同的单原子纳米酶材料。在Fe-KAC中，KOH活化的多孔碳骨架提供了较大的比表面积、丰富的锚定位点以及高效的质量/电子传输路径，而原子级分散的Fe–N?中心则赋予了其类似漆酶的催化活性，有助于增强对绿原酸的界面氧化作用。比色模式可实现对含绿原酸样本的快速、低成本且直观的检测，而电化学模式则能提供灵敏、稳定、重复性好且选择度高的定量分析结果。因此，这项工作提出了一种基于单原子Fe纳米酶的互补双检测策略，为绿原酸的分析以及金银花衍生产品的质量评估提供了一种灵活的检测平台。

章节摘要

化学品与材料

Zn(NO₃)₂·6H₂O和FeCl₃·6H₂O购自中国上海的中国医药化学试剂有限公司。2-甲基咪唑、三聚氰胺、绿原酸、咖啡酸、蔗糖、木犀草素和黄芩素购自中国上海的阿拉丁化学有限公司。葡萄糖、抗坏血酸、多巴胺和氢氧化钾购自Sigma公司。L-谷氨酸、L-赖氨酸漆酶、4-氨基安替比林、2,4-二氯苯酚等则由其他供应商提供。

物理表征

如图1所示，Fe-KAC单原子纳米酶是通过将孤立的铁原子锚定在MOF衍生的碳载体上而制备的。这些碳载体是通过用KOH浸渍ZIF-8后再经热解得到的。所得材料的结构和形态通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、高角环形暗场扫描电子显微镜以及X射线吸收近边结构谱等方法进行了分析。首先，如图S1A和S1B所示，所合成的ZIF-8颗粒具有均匀的尺寸分布，平均直径为

结论

在本研究中，我们制备了负载在KOH活化的ZIF-8衍生多孔碳上的单原子Fe纳米酶（Fe–KAC），并将其集成到一个双模式（电化学/比色）传感平台中，用于检测金银花样本中的绿原酸。实验结果表明，该传感系统具有高灵敏度、优异的特异性、良好的重复性、稳定性以及实际应用价值。Fe–KAC之所以能表现出如此优异的性能，是因为

CRediT作者贡献说明

王贝贝：论文撰写——初稿撰写，数据整理。 牛永哲：方法设计，正式数据分析。 王兰月：方法设计，数据整理。 沈一清：方法设计。 王林：资源提供。 李贤瑞：方法设计。 李定定：实验研究。 康凯：软件应用，资源提供。 季学平：论文撰写——审阅与编辑，资金筹集。

未引用参考文献

[51]、[52]、[53]、[54]、[55]

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国河北省自然科学基金的资助（项目编号：B2020206001）。