基于三磷酸腺苷激活的铂基纳米酶增强过氧化物酶样活性，用于尿酸即时检测的双模态比色光热传感平台

《Analytica Chimica Acta》：Dual-mode colorimetric and photothermal sensing platform for point-of-care testing of uric acid based on enhanced peroxidase-like activity of platinum-based nanozyme by adenosine triphosphate

　　

摘要

为突破传统纳米酶在中性pH条件下过氧化酶活性较低的局限，本研究制备了以铂为基质的、能辅助三磷酸腺苷发挥作用的纳米酶系统（Pt NZ/ATP）。ATP可提升Pt NZ的稳定性，并促进O₂^•?与^•OH的产生，使得Pt NZ/ATP的过氧化酶样活性显著高于单纯的Pt NZ（其米氏常数K_m为2.1 mM，而Pt NZ/ATP的K_m仅为0.46 mM）。尿酸会与尿酸氧化酶反应生成H₂O₂，随后Pt NZ/ATP可通过类似过氧化酶的反应催化H₂O₂将2,2-偶氮双(3-乙基苯并噻唑啉)-6-磺酸氧化为ABTS^•+，该物质在可见光区及近红外区均有明显的吸收光谱特征（存在显著的颜色变化且光热转换效率较高）。据此，研究人员利用智能手机摄像头和温度计构建了一种兼具比色与光热检测功能的双模式检测平台，可用于尿酸的现场检测，其线性检测范围为1.5至70 μM，检测下限分别为0.81 μM和1.05 μM。在人体血清样本中，该平台的相对标准偏差分别低于9.10%和9.90%，相对误差则低于生化检测仪所得结果的8.28%和6.93%。这项工作不仅为提升纳米酶的活性提供了有效方法，还实现了一种灵敏、准确且便于携带的尿酸检测双模式现场检测平台。

引言

纳米酶是一类具有类似酶活性的纳米材料，相较于天然酶，它们具备制备简便、成本低廉、稳定性高以及催化活性可调控等优点，因此被广泛应用于生物传感、靶向治疗和医学成像领域[1]、[2]、[3]、[4]。在生物传感领域，具有过氧化酶、氧化酶或过氧化氢酶样活性的纳米酶能够催化特定反应，产生比色、荧光或电化学信号，用于目标物质的检测[5]。基于比色的纳米酶平台因其操作简单、成本较低、响应速度快且结果易于可视化而备受关注[6]。过氧化酶样纳米酶已被广泛用于检测葡萄糖、尿酸和胆固醇等小分子物质[7]、[8]、[9]。这些目标物质可被特定的天然酶（如葡萄糖氧化酶、尿酸氧化酶、胆固醇氧化酶）氧化，生成中间产物H₂O₂[2]、[7]、[8]、[9]，而后过氧化酶样纳米酶会催化H₂O₂分解，使无色的发色底物（如3,3,5,5-四甲基联苯胺、2,2-偶氮双(3-乙基苯并噻唑啉)-6-磺酸、邻苯二胺）被氧化为有色的产物[9]、[10]。基于比色的纳米酶平台是根据信号强度与目标物浓度建立检测关系的。然而，过氧化酶样纳米酶在酸性环境中的活性会受到pH值的影响，这限制了它们在生理环境或碱性环境中的应用[11]、[12]。为克服这一pH限制，一种方法是重建最适宜的pH环境，但这种方法需要多步操作，可能会降低分析性能[11]、[13]；另一种方法则是通过表面修饰（如添加三磷酸腺苷）或复合材料设计（如基于图尔迪因氧化物负载的钌纳米酶）来改变底物的亲和力、尺寸分布或结晶度，从而提升催化活性[14]、[15]。在苏某的研究中，通过ATP修饰提升了掺铜的富氮碳基纳米酶对TMB的亲和力，使得其在pH为7的环境下仍能保持较高的催化活性[16]。因此，如何在恶劣环境中提升纳米酶的过氧化酶样活性，仍是当前值得深入研究的课题。

尿酸是嘌呤代谢的主要最终产物，其含量是评估人体生理状态的重要指标[17]。正常情况下，男性血清尿酸水平为150-420 μM，女性为90-360 μM。若尿酸水平异常升高或降低，则可能预示着高尿酸血症、痛风、多发性硬化症、肝病等其他疾病[18]、[19]。尤其是高尿酸血症，现已成为继高血压、高血糖和高血脂之后的第四大代谢性疾病[20]，因此监测尿酸水平对于疾病诊断和健康维护具有重要意义。目前已有基于比色、电化学、荧光及高效液相色谱技术的尿酸检测方法，这些方法都具有较高的灵敏度和选择性[19]、[21]。但从样本采集到得到检测结果所需的时间较长，且检测点多集中在医院，难以实现家庭便捷检测，这些都是制约这类检测方法在即时检测领域应用的主要障碍[18]、[22]。而那些采用简易仪器、敏感传感器、智能技术且操作简便的即时检测技术，则已被广泛应用于食品安全、环境保护和生物标志物检测等领域[23]。配备高分辨率摄像头、多种应用程序以及强大数据处理功能的智能手机，可以为即时检测提供便携、现场可用且成本合理的检测平台[23]、[24]。智能手机可以捕捉纸基或微流控设备产生的比色、荧光和化学发光等光学信号，并将其转化为图像[6]、[25]，再通过手机上的颜色识别类应用程序将这些信号转换为红、绿、蓝三种颜色数据，或是色调、饱和度、明度或灰度数据。通过建立颜色数据与目标物浓度之间的对应关系，便可在临床诊断、环境监测和食品安全等领域实现精准的定量分析[5]、[6]。在之前的研究中，我们已成功借助智能手机辅助的即时检测技术，检测了碱性磷酸酶、抗坏血酸和胆碱酯酶等生化指标[25]、[26]、[27]，因此，通过合理的即时检测设计开发出用于日常尿酸监测的传感器也是完全可行的，其操作方式可与简单的葡萄糖检测类似。

目前，即时检测技术已发展出了多种信号读取方式，包括光学信号（如比色信号）、物理信号（如温度和压力信号）以及尺寸相关信号（如距离信号）[28]、[29]。虽然单一模式的检测方法在定量分析方面表现优异，但由于检测方案不统一、操作人员差异、环境干扰以及背景信号等因素，仍可能出现假阳性或假阴性结果[30]、[31]、[32]。为解决这些问题，人们提出了比色-荧光、比色-光热、电化学-化学发光等多种双模式或多模式检测系统[33]、[34]、[35]，这类系统不仅能结合不同检测方法的优点，还能通过不同模式之间的相互验证，进一步提升检测结果的准确性和可靠性[36]、[37]、[38]。随着光热转化效率的不断提升以及高精度温度计的普及，光热检测技术因能够直接、简便地读取温度值，成为了更为理想的即时检测平台[39]。目前，已有众多类型的物质被用作光热检测传感器，包括有机物质（如氧化后的TMB、氧化后的ABTS^•+）、无机物质（如Cu_2-xAg_xS纳米晶体）以及复合材料（如壳聚糖稳定的铂纳米粒子）[28]。在何某的研究中，经过铁元素掺杂的碳点具有过氧化酶样活性，能够将TMB氧化为oxTMB，从而产生显著的比色和光热响应，可用于有机磷农药和氨基甲酸酯类农药的双模式检测[40]。因此，光热检测技术也为构建用于尿酸检测的双模式即时检测平台提供了一种新的技术途径。

本研究基于中性pH条件下经ATP修饰后铂基纳米酶所表现出的过氧化酶样活性，构建了一种兼具比色与光热检测功能的双模式传感器，用于检测人体血清中的尿酸水平（见图1）。该铂基纳米酶是通过简单的一步水热法制备的，其前驱体为柠檬酸、尿素、氢氧化钠以及四氯合铂(II)酸钾。该纳米酶在酸性环境下具有出色的过氧化酶样活性（米氏常数K_m为0.4 mM），而在中性环境下，其对底物H₂O₂的催化活性则会明显下降（K_m为2.1 mM）。加入ATP后，该纳米酶在中性环境下的过氧化酶样活性得到显著提升，其米氏常数降至0.21 mM。研究人员进一步验证了ATP提升该纳米酶活性的作用机制。尿酸氧化酶会将尿酸水解为尿囊素和H₂O₂，而后铂基纳米酶会催化H₂O₂将无色的ABTS氧化为绿色的ABTS^•+。该双模式传感器正是基于ABTS^•+的比色信号与光热信号与尿酸浓度之间的比例关系构建的。研究人员评估了该传感器在尿酸检测中的选择性和抗干扰能力，并在人体血清样本中测试了其实际应用效果。这种双模式检测系统不仅为临床尿酸水平的即时检测提供了新的思路，也为高尿酸血症和痛风等与尿酸相关的疾病的治疗管理带来了新的可能性。

章节要点

Pt NZ的合成

Pt NZ是通过一步水热法合成的。具体而言，将柠檬酸10毫克、尿素10毫克、氢氧化钠10毫克以及四氯合铂(II)酸钾10毫克溶解在10毫升水中，混合均匀后静置0.5小时。随后将混合液转移到内衬特氟龙的不锈钢高压反应釜中，在150°C下加热10小时。反应完成后，将所得产物离心（转速为5000转/分钟，时间10分钟），再用乙醇和超纯水清洗3次，最后将得到的黑色粉末通过冷冻干燥处理，以便后续使用。

Pt NZ及Pt NZ/ATP的过氧化酶样活性研究

过氧化酶样

Pt NZ的特性分析

为探究四氯合铂(II)酸钾添加量对Pt NZ过氧化酶样活性的影响，研究人员分别加入了不同量的该物质（0-20毫克），并通过测量417纳米处的紫外-可见吸光度来评估其活性。如图1A所示，加入铂元素后，Pt NZ的过氧化酶样活性整体得到提升，而未添加铂元素时则无法检测到该活性。因此，最终决定将四氯合铂(II)酸钾的添加量定为10毫克。通过对Pt NZ的透射电子显微镜图像观察，可以发现其呈分散良好的球形结构

结论

综上所述，本研究成功构建了一种基于Pt NZ/ATP的双模式即时检测平台，可实现尿酸水平的灵敏且现场化的检测。由于ATP能够有效促进H₂O₂分解所产生的^•OH和O₂^•?的生成，因此Pt NZ/ATP在中性pH条件下具有优异的过氧化酶样活性。尿酸氧化酶可将尿酸水解为H₂O₂，而后Pt NZ/ATP会催化ABTS氧化为ABTS^•+，这一过程既会引发颜色从无色变为绿色的比色反应，还会产生光热信号

作者贡献说明

童霞：负责原始稿件的撰写、资金申请以及数据整理工作。胡杰：负责正式数据分析以及研究概念的构思。郭静：负责稿件的审阅与编辑工作、项目管理工作以及资金申请。李国柱：负责实验结果的验证以及相关实验资源的准备。刘苏苗：负责研究方法的设计以及资金申请工作。

利益冲突声明

所有作者均声明，不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了山西省基础研究计划（项目编号为202303021222319和202303021212159）、山西白求恩医院科学基金（项目编号为2023GZRZ19和2023RC02）以及山西省卫生健康委员会中医药科学研究项目（项目编号为2025ZYYC015）的支持。

Xia Tong|Jing Guo|Jie Hu|Sumiao Liu|Guozhu Li

山西白求恩医院，山西医学科学院，山西医科大学第三医院，同济山西医院，中国太原市030032