具有多酶活性的蒲公英状 Pd/Cu 纳米酶：用于 PFAS 鉴别的比色传感器阵列

《Analytica Chimica Acta》：Dandelion-like Pd/Cu Nanozyme with Multi-Enzyme Activities: A Colorimetric Sensor Array for PFAS Discrimination

　　

摘要

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类以其高环境持久性和毒性而闻名的有害污染物。由于它们具有强极性、种类多和分布广的特点，未来筛查和应急响应迫切需要一种快速、准确且现场检测的方法。本文通过一步水热法合成了一种具有三重类酶活性（氧化酶样、过氧化物酶样和漆酶样）的蒲公英状 Pd/Cu 纳米酶。不同种类的 PFAS 在不同程度上抑制了这三种类酶活性。通过量化吸光度变化，构建了不同的指纹图谱，并开发了一种三通道比色传感器阵列。该阵列在区分七种 PFAS 时表现出高选择性和强大的抗干扰能力。线性判别分析（LDA）得分图揭示了不同 PFAS 类别和复杂混合物的明显聚类，表明它们的指纹图谱具有清晰的分离性。所开发的纳米酶传感器阵列成功应用于环境水样（河流、湖泊和自来水）中 PFAS 的检测。这项工作为复杂环境基质中 PFAS 的选择性和可靠检测提供了一种新策略。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）具有疏水性、疏油性以及化学惰性，已被广泛应用于工业领域，包括灭火泡沫、防水纺织品和食品包装材料 [1]，[2]。PFAS 具有抵抗环境降解的能力 [3]，并可通过食物链在人体内富集，从而构成健康风险 [4]。

准确和高效的检测方法是推进 PFAS 风险评估和环境清理的前提 [5]，[6]。目前，具有高灵敏度和准确度的高效液相色谱 - 质谱联用技术（HPLC-MS）是精确量化 PFAS 的“金标准”技术 [7]，但它受到成本、专业人员培训和繁琐的样品制备的限制 [8]。荧光、电化学和表面增强拉曼光谱为 PFAS 检测提供了更简单、灵敏且低成本的替代方案。然而，共存的 PFAS 种类往往会干扰这些信号，这使得处理含有多种成分的真实样本变得困难。因此，迫切需要一种友好、廉价、快速且高通量的方法，能够识别多个目标，用于大规模的 PFAS 筛查、污染源追溯和风险评估 [9]。

受“化学鼻/舌”的启发，传感器阵列技术最近作为一种高通量分析物区分的有前途的平台而出现 [10]，[11]，[12]。当使用纳米酶作为传感元件时，这些阵列相比传统设计获得了明显的优势——通过多信号输出提高了识别精度 [13]。具有类酶活性的纳米材料被称为纳米酶，它们通过驱动特征反应产生时间分辨的多维响应信号 [14]，[15]，[16]。大多数基于纳米酶的传感器仍然仅依赖一种催化活性，有时结合不同的反应时间或不同的纳米酶来创建传感通道。这往往会导致相当简单的响应机制，容易受到干扰的影响 [17]。开发具有多种类酶活性的纳米酶——如氧化酶样（OXD）、过氧化物酶样（POD）和漆酶样（LAC）活性——提供了一种构建多方面信号系统来区分样本的方法，从而能够开发出新的高精度纳米酶传感器阵列来识别 PFAS [18]。

在各种纳米酶中，具有出色活性的基于 Pd 的纳米酶引起了广泛关注 [19]，[20]，[21]。例如，开发了一种微波辅助方法来创建珊瑚状双金属 Pd/Cu 纳米酶。较高比例的 Pd⁰ 和较低的 H₂O₂ 吸附能导致更强的 POD 活性，使得这些纳米酶能够灵敏地检测硫氰酸盐 [22]。Wei 等人开发了具有优异 POD 活性的二维 Pd@Pt 纳米片，并将其应用于建立 H₂O₂ 和葡萄糖的新检测方法 [23]。然而，基于 Pd 的纳米酶的广泛应用仍然受到其成本和相对较窄的催化活性范围的限制。一个有效的解决方案是将 Pd 与其他金属合金化——例如 Cu、Fe 或 Co，这可以微调电子结构并提升催化性能 [24]，[25]，[26]。因此，为了克服这一局限性，双金属纳米酶作为一种优越的替代品而出现。例如，Au@Pt 双金属纳米酶与单 Pt 基纳米酶相比表现出显著增强的 POD 活性和亲和力，实现了高灵敏度的视觉检测 [27]。由于 Cu 的灵活和可变的价态以及电子结构，基于 Cu 的纳米酶在 LAC 和 OXD 方面表现出卓越的性能 [28]，[29]。例如，Tao 等人使用胞嘧啶作为模板制备了 Cu 纳米酶。这些纳米酶表现出强烈的 LAC 活性，并在降解和电化学检测酚类污染物方面表现良好 [30]。Liu 等人合成了在调节细胞内氧气和过氧化氢方面表现出优异 OXD 活性的 Cu-CeO₂ 纳米酶 [31]。Mao 等人建立了一种 Cu-MOFs 纳米酶阵列，具有差异化的类 LAC 响应，用于识别酚类污染物 [32]。基于这些想法，构建 Pd/Cu 双金属合金可能是一种将 Pd 的高催化活性与 Cu 的多类酶模拟能力相结合的方法。这种新型纳米酶不仅具有高活性，而且 capable 多酶催化——为具有多传感通道的高精度纳米酶传感器阵列奠定了基础。

本文通过水热法合成了蒲公英状 Pd/Cu 纳米酶。由于其合金化、表面化学和独特的形态，这些纳米酶表现出优异的电子转移特性。光谱扫描实验证实该 Pd/Cu 纳米酶同时具有三种类酶活性，包括 OXD、POD 和 LAC 活性。稳态动力学分析显示，针对典型底物具有相对较低的 K_m 值和较高的 V_max 值。利用 PFAS 抑制 Pd/Cu 纳米酶活性的方式，建立了 Pd/Cu 纳米酶的三种类酶响应作为识别通道，为不同的 PFAS 创建独特的“指纹”图谱。随后，使用模式识别方法（如线性判别分析（LDA）和层次聚类分析（HCA））对这些图谱进行了分析 [33]。建立了一种新型纳米酶传感器阵列，用于区分环境水样中的七种代表性 PFAS。该传感器阵列可以识别单个 PFAS，也可以区分二元和三元混合物。此外，它表现出强大的抗干扰性能，并在加标水样中实现了准确检测，确认了其在复杂基质中的适用性。总体而言，这项工作为环境水中多种 PFAS 的快速筛查提供了一种工具，并突出了将多功能纳米酶与基于阵列的传感策略相结合以解决复杂环境污染物识别问题的潜力（Scheme. 1）。

章节摘要

材料与试剂

醋酸铜 (Cu(OAc)₂)、3,3',5,5'-四甲基联苯胺 (TMB) 和 1-甲基咪唑购自阿拉丁生化科技股份有限公司（上海，中国）。四氯钯酸钾 (K₂PdCl₄)、乙二醇 (EG)、30% 过氧化氢 (H₂O₂)、1H,1H,2H,2H-全氟辛醇 (PFOctOH)、全氟辛烷磺酸 (PFOS)、全氟己酸 (PFHxA)、全氟辛酸 (PFOA)、全氟丁烷磺酸 (PFBS)、全氟丁酸 (HFBA)，

Pd/Cu 纳米酶的结构表征

Pd/Cu 纳米酶的合成路线如图 1a 所示。SEM 图像显示了三维蒲公英状形态（图 1d），这提供了大的比表面积和丰富的活性位点。TEM 揭示了 Pd/Cu 纳米酶的纳米级尺寸和形态（图 1b）。DLS 显示了一个以 236 nm 为中心的单峰流体力学尺寸分布，表明具有优异的分散性（图 S5d）。高分辨透射电子显微镜 (HR-TEM) 揭示了清晰的晶格

结论

在本研究中，我们报道了蒲公英状 Pd/Cu 纳米酶的合成，其制备条件的优化，以及其三重类酶活性的展示，包括 OXD、POD 和 LAC 活性。稳态动力学分析显示，针对代表性底物具有较低的 K_m 和较高的 V_max，表明具有强的底物亲和力和高的催化效率。对于传感应用，系统地调整关键参数——包括反应 pH、温度，

CRediT 作者贡献声明

蒋文才：验证，调查。李小美：验证，调查。侯志波：概念化，监督。倪晨：方法论，调查。张国奇：撰写 – 审查与编辑，项目管理，资金获取。何宇阳：方法论。于浩：监督，概念化。胡慧婷：撰写 – 初稿，方法论，调查

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能会被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了研究生教育质量工程西华大学（编号：YK20240192）和四川省自然科学基金（编号：2026NSFSC0854）的资助。作者衷心感谢科学指南针（www.shiyanjia.com）提供 X 射线光电子能谱 (XPS) 和透射电子显微镜 (TEM) 测量以及相应的数据分析支持。

胡慧婷 | 李小美 | 蒋文才 | 倪晨 | 何宇阳 | 张国奇 | 于浩 | 侯志波

西华大学理学院化学系，中国成都，610039