配位介导钒掺杂CuOOH/聚合物纳米纤维纳米酶的电子调控用于脱氢乙酸钠检测的催化信号放大

《Food Bioscience》：Coordination-mediated electronic regulation of V-doped CuOOH/polymer nanofiber nanozymes for catalytic signal amplification in sodium dehydroacetate detection

　　

摘要

传统基于纳米酶的传感策略主要集中于提高催化效率或构建识别辅助系统，而利用靶分子主动调节催化中心以实现信号放大则仍较少被探索。在此，我们报道了一种配位介导的电子调节策略，通过模板引导和碱性水解辅助的钒掺杂方法，构建了钒掺杂的CuOOH/聚合物纳米纤维（V-CuOOH/PNFs）。所得纳米酶整合了分级多孔结构和钒诱导的氧空位，实现了活性位点可及性的提升和本地主电子结构的优化。因此，V-CuOOH/PNFs表现出优异的过氧化物酶类催化活性，其米氏常数（K_m）对H₂O₂为0.0743 mmol/L，约为天然辣根过氧化物酶（HRP）的1/61，表明其对底物具有增强的亲和力。有趣的是，脱氢乙酸钠（DHA-S）并非作为传统的抑制性靶标，而是作为催化调节剂发挥作用，在传感系统中诱导了显著的信号放大效应。机理研究表明，DHA-S与表面Cu/V活性位点发生配位，触发电子重分布并促进活性氧物种的产生。基于这种配位介导的放大机制，我们开发了一种用于DHA-S检测的比色平台，实现了10-300 μmol/L的线性范围（R² = 0.999）和8.92 μmol/L的检测限。

引言

脱氢乙酸钠（DHA-S）是一种广谱防腐剂，因其有效的抗菌性能而广泛应用于加工食品、饲料产品和化妆品中（Huang et al., 2020; Liu et al., 2022; Mohammadzadeh-Aghdash et al., 2018）。然而，由于DHA-S可能带来的氧化应激、凝血功能障碍和细菌耐受性等潜在不利影响，其过量暴露引发了越来越多的关注（Du et al., 2023; Liu et al., 2022; Mo et al., 2025）。因此，许多国家和地区已制定了严格的规定，限制其应用水平和适用范围（Jin et al., 2025; Scordino et al., 2018; Whelan et al., 2024）。传统的DHA-S检测方法主要依赖于高效液相色谱法（HPLC）（Aoyama et al., 2014）、气相色谱法（GC）（Wang et al., 2023）和HPLC-可见分光光度法（Bui et al., 2012）。尽管这些方法具有高精度和高灵敏度，但它们通常需要复杂的仪器、繁琐的样品制备和专业的操作，限制了其在快速和现场监测中的应用。因此，开发简单、快速和灵敏的DHA-S检测策略仍然非常迫切。

基于纳米酶的比色传感近年来作为一种有前景的食品安全性分析替代方案受到了广泛关注，因其操作简单、成本低且便携（Li, Wang, et al., 2024; Liao et al., 2026）。各种纳米酶，包括贵金属、金属氧化物、金属有机框架材料（MOFs）和碳基材料，已被广泛研究。其中，金属氧氢氧化物（MOOH）因其独特的结构特征而备受关注。例如，FeOOH和CoOOH已被证明具有优异的类酶活性（Fan, Fu, et al., 2024; Ji et al., 2023; Zuo et al., 2024）。然而，提高基于纳米酶的比色传感的灵敏度仍然是一个重大挑战。当前策略主要集中在两个方面：增强固有催化活性和构建信号放大系统。前者通常涉及电子结构调节、杂原子掺杂、缺陷工程和分级结构设计，以提高底物活化和活性氧物种（ROS）的产生（Xu & Fan, 2026; Zhan et al., 2026）。后者则依赖于级联反应、酶辅助放大或信号积累策略来增强分析响应（Li, Bao, et al., 2024; Liao, Feng, et al., 2025; Liu et al., 2026）。

然而，大多数现有策略主要侧重于通过结构优化或引入外部放大组分来提高纳米酶的催化能力。在这些系统中，催化界面通常在材料合成过程中已经确定，而分析物主要作为被动触发器，通过抑制、竞争或物理化学相互作用来诱导信号变化（Hu et al., 2025）。与天然酶不同，天然酶可以通过底物识别和活性位点相互作用来动态调节催化活性，而大多数纳米酶具有相对静态的催化中心（Zhang et al., 2026）。因此，开发具有动态响应催化界面的纳米酶是实现更高效和自适应传感系统的一个重要挑战。

催化中心的动态调节需要活性位点与外部分子之间的可逆相互作用。近期研究表明，分子与表面金属中心之间的配位相互作用可以通过改变局部电子结构、配位环境和底物吸附性质来有效调节催化行为（Di et al., 2026）。这种分子水平的调节为构建响应性催化界面提供了一种有前景的机制（Wu et al., 2026; Zhang et al., 2024）。然而，利用靶分子本身作为配位介导剂来动态调节纳米酶活性中心并放大传感信号的研究仍不够充分。

为了实现分析物介导的催化调节，构建具有电子灵活活性中心的纳米酶是必要的。钒掺杂为定制催化微环境提供了一种有效策略，这得益于钒的多种氧化态（V⁴⁺/V⁵⁺）、高效的电子转移能力和产生氧空位的能力（He et al., 2021; Li, Zhang, et al., 2022; Qin et al., 2020; Wang, Zhou, et al., 2024; Yang et al., 2025）。钒的引入可以在金属中心之间诱导电荷重分布并创造配位不饱和位点，从而为分子相互作用提供可适应的催化界面。同时，分级结构可以增强催化剂分散性、促进分子扩散并提高活性位点的可及性（Liang et al., 2025; Wang, Xi, & Xiong, 2024）。因此，将钒介导的电子调节与分级结构工程相结合，可能为构建分析物响应型纳米酶提供一个有前景的平台。

在此，我们通过模板引导和碱性水解辅助的钒掺杂方法，开发了一种配位介导的电子调节策略来构建钒掺杂的CuOOH/聚合物纳米纤维（V-CuOOH/PNFs）。分级聚合物纳米纤维框架增强了CuOOH活性位点的分散性和可及性，而钒的引入诱导了氧空位并调节了Cu/V中心的电子态，生成了优化的催化微环境。更重要的是，我们发现DHA-S不仅仅是一种分析靶标，而是一种主动的催化调节剂。DHA-S中的含氧基团与表面Cu/V活性位点发生配位，诱导电子重分布并促进ROS的产生，从而产生了显著的信号放大效应。基于这种配位介导的电子调节机制，我们开发了一种智能手机辅助的比色平台，用于灵敏和定量的DHA-S检测。本工作为通过利用靶分子作为催化界面的主动调节剂来设计纳米酶传感系统提供了一种配位介导的策略。

各节摘要

试剂与仪器

醋酸铜（Cu(OAc)₂·H₂O）、均苯三甲酸（BTC）、五氧化二钒（V₂O₅）、无水甲醇（CH₃OH）、无水乙醇（C₂H₅OH）、氢氧化钠（NaOH）、3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、二甲基亚砜（DMSO）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、过氧化氢（30 wt%）、脱氢乙酸钠（DHA-S）、L-组氨酸（L-His）、异丙醇（IPA）、超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸（AA）、苯甲酸钠、山梨酸钾和丙酸钠等。

V-CuOOH/PNFs纳米酶的构建与表征

V-CuOOH/PNFs纳米酶的制备策略如图1所示。首先，一维PEG-b-P4VP聚合物纳米线作为模板，在室温下原位生长Cu-MOF纳米晶体，形成Cu-MOF/PNFs纳米复合材料。随后，通过一步碱性水解辅助的钒掺杂方法，从Cu-MOF/PNFs前驱体构建V-CuOOH/PNFs复合材料。在此过程中，Cu-MOF纳米晶体在PEG-b-P4VP表面成核和生长。

DHA-S比色系统与抗干扰性能

基于V-CuOOH/PNFs增强的过氧化物酶类催化活性，开发了一种灵敏的比色法用于DHA-S检测。通过监测652 nm处的吸光度变化来定量DHA-S浓度。V-CuOOH/PNFs、TMB和H₂O₂的浓度分别优化为20 μg/mL、200 μmol/L和200 μmol/L。通过绘制吸光度变化（ΔA）与DHA-S浓度之间的关系建立校准曲线（图4a和b）。该传感器表现出优异的线性关系。

结论

总之，本研究通过模板引导组装和碱性水解辅助掺杂策略开发了分级V-CuOOH/PNFs纳米酶。所构建的纳米酶整合了分级多孔结构、丰富的缺陷、位点和Cu/V多价活性中心，为高效H₂O₂活化提供了有利的催化微环境。因此，V-CuOOH/PNFs表现出优异的过氧化物酶类活性，具有较低的米氏常数（K_m = 0.0743 mmol/L）。

CRediT作者贡献声明

梅泽彤：撰写——初稿，方法论，调查。谭建明：形式分析。刘明轩：调查。孙景文：形式分析。尹晨曦：调查。杜昆：监督，方法论。刘莉：调查。孟芳贵：方法论。方玲：调查，概念化。白元娟：撰写——审阅与编辑，监督，资金支持获取，概念化。

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，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：22005348）和湖南省自然科学基金（编号：2020JJ5961）的资助。

梅泽彤|谭建明|刘明轩|孙景文|尹晨曦|杜昆|刘莉|孟芳贵|方玲|白元娟

中南林业科技大学材料与能源学院，湖南省材料表面与界面科学技术重点实验室，长沙，410004，中国