由[Fe(CN)6]3-驱动的酶-金属有机框架（MOF）界面协同重构，用于构建 hollow 纳米反应器以实现超灵敏的有机磷农药检测

《Biosensors and Bioelectronics》：Interfacial coordination reconstruction of enzyme–MOF driven by [ Fe(CN) 6]3- for constructing hollow nanoreactors toward ultrasensitive organophosphate pesticides sensing

　　

摘要

金属有机框架（MOFs）为酶的固定提供了理想的平台。然而，它们固有的狭窄微孔扩散通道限制了物质传输，显著降低了封装酶的催化活性。在这里，我们报道了一种通过六氰合铁酸盐（[Fe(CN)₆]^3-）离子引发的界面重构策略构建的层次化酶纳米反应器，在预先加载了乙酰胆碱酯酶（AChE）的ZIF-67支架上直接生成普鲁士蓝类似物（PBAs）。这种转变将原本密集的MOF重构为层次多孔结构，从而创造了更有利的微环境，改善了底物的扩散和酶的可达性，最终提高了催化性能。此外，通过原位还原引入了铂纳米粒子（PtNPs），以增强导电性、加速电子转移，并进一步提高传感器的灵敏度。基于此，进一步构建了CS-AChE@ZIF-67@PBA4-Pt/GCE（CS-AZP4-Pt/GCE）生物传感器，用于超灵敏检测有机磷农药（OPs）和氨基甲酸酯农药（CPs）。该传感器表现出宽的线性检测范围（单克罗托福斯为3.60 × 10^-13–3.60 × 10^-6 M，卡巴里尔为1.24 × 10^-12–1.24 × 10^-6 M）、超低的检测限（分别为3.62 × 10^-14 M和5.78 × 10^-13 M），以及良好的抗干扰能力和操作稳定性。本研究提出了一种通过界面重构克服酶催化过程中扩散限制的策略，为高性能生物传感应用的设计提供了一种新的方法。

引言

自然生物系统作为集成纳米反应器，执行催化和信号转导功能，维持结构完整性，并调节周围环境（Savage等人，2010；Renggli等人，2011；Rabe等人，2017）。其中，酶因其优异的催化效率、高底物选择性和在温和条件下的显著活性而在生物传感和环境监测中显示出巨大的应用潜力（Burke等人，2019；Zheng等人，2024）。然而，酶本质上是脆弱的生物大分子，在不利的条件下容易失活，包括温度变化、pH波动和有机溶剂的暴露（Jiang等人，2024；Wang等人，2026）。将酶固定在固体支撑基质中已成为提高其结构稳定性和操作耐久性的广泛采用的策略（Zhu等人，2023；Liu等人，2026）。目前，已经开发出多种材料平台将天然酶与合成纳米材料结合，包括天然聚合物、有机框架、介孔二氧化硅和水凝胶（Patel等人，2019；Xue等人，2025；Engstr?m等人，2013；Li等人，2025）。尽管如此，这些复合材料的实际应用仍面临几个瓶颈，包括酶在固定过程中的构象变化或变性、支撑材料与酶之间的兼容性不足、高传质阻力以及活性位点的屏蔽（Iyer等人，2008；Huang等人，2023）。

金属有机框架（MOFs）由于其可调节的结构和能够为酶提供保护性微环境而成为酶固定的重要载体（Furukawa等人，2013；Huang等人，2020；Zhang等人，2020）。其中，沸石咪唑酸盐框架（ZIFs）在温和水条件下合成，显示出封装和稳定敏感酶的巨大潜力，使其成为构建生物复合材料的理想候选者（Liang等人，2019；Tu等人，2022）。使用生物分子作为模板指导成核和生长，可以轻松一步构建此类复合材料，同时有效保持酶的活性和结构完整性（Liang等人，2015）。然而，ZIF框架的固有微孔通道对扩散有严重限制，显著阻碍了底物的传输并限制了对封装活性位点的访问，这最终导致酶@ZIF系统的传质阻力增大和催化效率降低（Li等人，2024）。因此，在保持宿主框架结构完整性的同时缓解这些内在的扩散限制，是开发高性能酶基生物传感器的关键挑战。

动态重构已成为克服基于MOF系统的内在扩散限制的有效策略（Liu等人，2026；Gui等人，2026；Qi等人，2026）。利用晶体界面处配位键的动态性质，可以通过界面重组和定向外延组装来调节框架的演变，从而构建出具有增强催化性能的层次化结构（Le Huec等人，2024；Negita等人，2025；Cao等人，2026）。例如，沸石嘧啶框架（ZPFs）中的动态交换过程生成了层次化的孔结构，促进了底物扩散和电子转移（Yang等人，2026）。类似地，Li等人开发了一种动态键驱动的策略，在超出孔径限制的情况下将酶封装在MOFs中（Li等人，2026）。Man等人采用动态配位驱动的逐层生长方法将多种酶封装在多层MOFs中，实现了比溶液中游离酶高5.8–13.5倍的催化效率（Man等人，2022）。受这些进展的启发，普鲁士蓝类似物（PBA）因其丰富的配位化学、电化学稳定性和结构可调性而成为构建层次化酶纳米反应器的有吸引力的构建块（Yi等人，2021；Wu等人，2025）。更重要的是，在PBA生长过程中，过渡金属离子与氰化物配体之间的配位相互作用可以引起界面结构演变，生成层次化结构和额外的扩散路径（Mao等人，2024；Huang等人，2019）。由此产生的层次多孔结构促进了底物传输并提高了催化效率，使得PBA功能化的酶@ZIF系统成为克服传统酶@ZIF生物复合材料扩散限制的有希望的策略。

在这里，我们报道了一种通过[Fe(CN)₆]^3-介导的界面动态重构构建的层次化酶纳米反应器，以克服封闭生物催化系统中的扩散限制。采用ZIF-67封装的乙酰胆碱酯酶（AChE）（AZ）作为结构前体来指导PBA壳的原位生长，形成了明确的核壳结构（AZP）。在PBA形成过程中，过渡金属离子与氰化物配体之间的配位相互作用引发了AZ的界面结构演变，生成了层次化的扩散路径和 hollow 酶微环境。这种动态重构的结构有效地将密集的酶@ZIF系统转化为多孔纳米反应器，提高了传质效率和酶的可达性（图1）。通过原位还原引入铂纳米粒子（PtNPs），促进了界面电子转移，从而提高了传感器的灵敏度。构建的AChE@ZIF-67@PBA4-Pt（AZP4-Pt）平台在检测单克罗托福斯和卡巴里尔方面表现出稳健的分析性能，具有宽的线性响应范围和超低的检测限。此外，它还保持了高选择性、良好的重复性和长期储存稳定性，并在实际样品分析中表现出可靠的适用性。

部分片段

材料与方法

详细的实验程序在支持信息中描述。

AZPx-Pt纳米反应器的结构表征

首先，AChE在ZIF-67框架内原位封装。通过利用酶表面的负电荷实现AChE的仿生矿化，作为成核模板促进Co²⁺的配位和随后的ZIF-67的原位形成（Cases等人，2022）。酶-基质相互作用似乎促进了ZIF壳在酶周围的成核和随后的生长，从而成功形成了AZ

结论

在这项工作中，我们建立了一种PBA介导的界面重构策略，用于构建层次化酶纳米反应器并解决传统酶@MOF系统的内在扩散限制。[Fe(CN)₆]^3-诱导的配位重构驱动了密集AZ前体的结构转变，最终产生了具有层次多孔性的空心纳米反应器。结构演变显著提高了底物的可达性

CRediT作者贡献声明

Yaxu Zhao：撰写——原始草稿，研究。Faming Gao：撰写——审稿与编辑，监督，概念化。Xiong Lu：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，研究。Zhimin Li：形式分析。Xiyue Wang：软件。Congyi Zhao：方法学。Yaxin Shen：形式分析。Yu Hu：数据管理

未引用的参考文献

Cases Diaz等人，2022；Ganesan等人，2021；Iyer和Ananthanarayan，2008；Liu等人，2026a；Liu等人，2026b。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（批准号：22379112、22208246）和河北省自然科学基金（批准号：B2025203050）的财政支持。

Yaxu Zhao|Yu Hu|Yaxin Shen|Congyi Zhao|Xiyue Wang|Zhimin Li|Xiong Lu|Faming Gao天津理工大学天津危险化学品多组分识别重点实验室，中国天津市300457