基于双MOF纳米酶Fc-PBA@Tb-MOF的环丙沙星比率色度/荧光双模式检测方法

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基于双MOF纳米酶Fc-PBA@Tb-MOF的环丙沙星比率色度/荧光双模式检测方法

时间：2026年1月16日

来源：Sensors and Actuators B: Chemical

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双-MOF纳米酶合成及其用于环丙沙星双模式检测研究。通过封装高活性过氧化氢酶-like物质于Tb-MOF孔道中，构建了具有比色和荧光双重响应的检测体系，分别检测范围为0.5-10 μM和0.025-60 μM，检测限达3.5 nM。

赵宇迪|王欣宇|黄彦峰|李颖

中国天津天宫大学化学工程与技术学院，先进分离膜材料国家重点实验室，滨水西路399号，300387

摘要

由于纳米酶具有可调的催化性能、优异的稳定性和低成本，尤其是基于金属有机框架（MOFs）的纳米酶，近年来成为生物传感领域的研究热点。然而，在催化活性、酶特异性和分析物选择性方面仍存在不可避免的缺点。本文成功合成了新型双MOF纳米酶Fc-PBA@Tb-MOF，该方法将具有高过氧化物酶（POD）类似活性的Fc-PBA封装到发光的Tb-MOF中。通过建立双模式传感系统，提高了环丙沙星（CIP）检测的灵敏度和选择性。双MOF的超POD类似活性可催化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）氧化为TMB⁺和TMB²⁺，在450 nm和652 nm处产生双信号紫外吸收峰。CIP可通过分子间电子转移促进TMB⁺向TMB²⁺的转化，从而实现高选择性的比率色度法检测。此外，CIP中的β-二酮结构可与Fc-PBA@Tb-MOF中的Tb³⁺配位，通过“天线效应”增强双MOF纳米酶的荧光强度，实现CIP的选择性荧光检测。该色度/荧光双模式传感平台的检测范围分别为0.5-10 μM和0.025-60 μM，检测限分别为44 nM和3.5 nM。本研究为发光双MOF纳米酶的设计与合成提供了新途径，并提高了纳米酶的特异性和选择性。

引言

天然酶凭借其独特的高活性和优异的特异性，在生物催化和分析科学领域发挥着不可替代的作用[1][2]。然而，作为蛋白质基大分子，天然酶的广泛应用受到复杂制备过程、高成本和严格反应条件的限制[3][4]。为克服这些缺点，人工纳米酶作为下一代酶模拟物被开发出来。这些具有酶类似活性的纳米材料不仅继承了天然酶的高催化效率，还表现出优异的稳定性和大规模制备潜力，广泛应用于色度传感、环境监测、抗菌治疗等领域[5][6][7]。2007年发现Fe₃O₄纳米颗粒具有POD类似活性后[8]，研究人员开发了数十种基于纳米材料的酶模拟物，包括POD、氧化酶、过氧化氢酶和磷酸酶，显著扩展了人工酶的范围。

金属有机框架（MOFs）是一种新型多孔材料，由金属离子/簇和有机配体构成。在过去十年中，基于MOFs的纳米酶因其永久性的孔隙结构、较大的表面积、可设计的活性中心以及多孔限制效应而受到广泛关注，成为仿生催化领域的研究热点[9][10]。然而，基于MOFs的纳米酶的主要缺点是特异性和选择性较低，设计和开发高活性和选择性的纳米酶仍是一个挑战。

值得注意的是，以铁芬（ferrocene）作为金属配体或有机连接剂的MOFs表现出优异的性能。由于铁芬独特的夹心结构和可逆的氧化还原性质[11]，基于铁芬的MOFs不仅保持了多孔结构，还具有高稳定性和优越的氧化还原性能。更重要的是，基于铁芬的MOFs具有高选择性，通常仅具有POD类似活性，而不具备氧化酶类似活性。此外，我们发现了一种新的铁芬基普鲁士蓝类似物（Fc-PBA），它在反应过程中不仅能将TMB氧化为TMB⁺阳离子自由基，还能进一步引发连续的一电子氧化反应，生成完全氧化的TMB²⁺（二亚胺），从而在450 nm和652 nm处产生双波长紫外-可见吸收峰。

传统的基于纳米酶的色度法通常依赖单一波长模式，容易受到环境因素的干扰，导致假阳性结果。双信号色度法通过提供内在的自校准功能，提高了色度数据的可靠性和灵敏度。但目前只有少数纳米酶能够实现用于比率传感的双信号输出，例如氮掺杂碳点纳米酶[12]和钴涂层普鲁士蓝类似物（FPB-Co-Ch NPs）[13]。

本文通过原位将Fc-PBA纳米立方体嵌入Tb-MOF网状结构中，制备了发光双MOF纳米酶（Fc-Co PBA@Tb-MOF）。通过巧妙结合Fc-Co PBA的超POD类似活性和Tb-MOF的光致发光特性，开发了一种用于环丙沙星（CIP）检测的比率色度/荧光双模式传感系统（图1）。Tb-MOF是一个理想的组分，因为其荧光强度和寿命可通过Tb-MOF与分析物的相互作用进行调节[14]。Tb-MOF不仅赋予双MOF纳米酶荧光特性，还通过多种金属的协同效应进一步增强了其POD类似活性。

CIP是最有效的第三代喹诺酮类抗生素之一，其主要结构为喹啉酮环，带有负电荷，这有助于双MOF纳米酶对带正电荷的TMB的结合。由于表面电荷控制的电子转移调节，CIP促进了TMB⁺向TMB²⁺的进一步氧化，实现了高选择性的比率色度法检测[15]。同时，CIP中的β-二酮结构可与Fc-PBA@Tb-MOF中的Tb离子配位，通过“天线效应”增强双MOF纳米酶的荧光强度[16]。因此，构建了一种用于CIP检测的比率色度/荧光双模式传感平台。该方法简单、快速、可视化，具有高选择性和高灵敏度，具有很大的食品安全监测应用潜力。

部分摘要

天然酶凭借其独特的高活性和优异的特异性，在生物催化和分析科学领域发挥着不可替代的作用[1][2]。然而，作为蛋白质基大分子，天然酶的广泛应用受到复杂制备过程、高成本和严格反应条件的限制[3][4]。为克服这些缺点，人工纳米酶作为下一代酶模拟物被开发出来。这些纳米材料不仅继承了天然酶的高催化效率，还具有优异的稳定性、可修饰性和大规模制备潜力，广泛应用于色度传感、环境监测、抗菌治疗等领域[5][6][7]。2007年发现Fe₃O₄纳米颗粒具有POD类似活性后[8]，研究人员开发了数十种基于纳米材料的酶模拟物，包括POD、氧化酶、过氧化氢酶和磷酸酶，显著扩展了人工酶的范围。

金属有机框架（MOFs）是一种新型多孔材料，由金属离子/簇和有机配体构成。在过去十年中，基于MOFs的纳米酶因其永久性孔隙结构、较大的表面积、可设计的活性中心以及多孔限制效应而成为仿生催化领域的研究热点[9][10]。然而，基于MOFs的纳米酶的主要缺点是特异性和选择性较低，设计和开发高活性和选择性的纳米酶仍是一个挑战。

基于铁芬的MOFs尤为突出，铁芬既可作为金属配体也可作为有机连接剂。由于铁芬独特的夹心结构和可逆的氧化还原性质[11]，基于铁芬的MOFs不仅保持了多孔结构，还具有高稳定性和优越的氧化还原性能。更重要的是，基于铁芬的MOFs具有高选择性，通常仅具有POD类似活性，而不具备氧化酶类似活性。此外，我们发现了一种新的铁芬基普鲁士蓝类似物（Fc-PBA），它不仅在反应过程中将TMB氧化为TMB⁺阳离子自由基，还能进一步引发连续的一电子氧化反应，生成完全氧化的TMB²⁺（二亚胺），从而在450 nm和652 nm处产生双波长紫外-可见吸收峰。

传统的基于纳米酶的色度法通常依赖单一波长模式，容易受到环境因素的干扰，导致假阳性结果。双信号色度法通过提供内在自校准功能，提高了色度数据的可靠性和灵敏度。然而，目前只有少数纳米酶能够实现用于比率传感的双信号输出，例如氮掺杂碳点纳米酶[12]和钴涂层普鲁士蓝类似物（FPB-Co-Ch NPs）[13]。

本文通过将Fc-PBA纳米立方体原位嵌入Tb-MOF网状结构中，制备了发光双MOF纳米酶（Fc-Co PBA@Tb-MOF）。通过巧妙结合Fc-Co PBA的超POD类似活性和Tb-MOF的光致发光特性，开发了一种用于环丙沙星（CIP）检测的比率色度/荧光双模式传感系统（图1）。Tb-MOF是一个理想的组分，因为其荧光强度和寿命可通过Tb-MOF与分析物的相互作用进行调节[14]。Tb-MOF不仅赋予双MOF纳米酶荧光特性，还通过多种金属的协同效应进一步增强了其POD类似活性。

CIP是一种高效的三代喹诺酮类抗生素，其主要结构为喹啉酮环，带有负电荷，这有助于双MOF纳米酶对带正电荷的TMB的结合。由于表面电荷控制的电子转移调节，CIP促进了TMB⁺向TMB²⁺的进一步氧化，实现了高选择性的比率色度法检测[15]。同时，CIP中的β-二酮结构可与Fc-PBA@Tb-MOF中的Tb离子配位，通过“天线效应”增强双MOF纳米酶的荧光强度[16]。因此，构建了一种用于CIP检测的比率色度/荧光双模式传感平台。该方法简单、快速、可视化，具有高选择性和高灵敏度，具有广泛的应用潜力，尤其是在食品安全监测领域。

Fc-PBA的合成

Fc-PBA的合成基于之前的研究[13]。首先，将K₃[Co(CN)₆]（0.5 mmol）溶解在5 mL 100 mM HCl中，得到溶液A；将铁芬二羧酸（Fc(COOH)₂（0.5 mmol）溶解在5 mL乙醇中，得到溶液B。然后将溶液A与溶液B混合，在室温下搅拌6小时，随后以9,500 rpm离心10分钟。所得绿色产物用乙醇-水溶液和去离子水洗涤，最终得到纯化的Fc-PBA。

合成与表征

为了提高纳米酶的活性、选择性和灵敏度，我们制备了双MOF复合材料（Fc-PBA@Tb-MOF）。首先，利用铁芬的优异氧化还原性质，选择铁芬衍生物作为金属节点，并通过[Co(CN)₆]³⁻复合物进行配位，通过简单温和的方法制备了新的Fc-PBA。接下来，将Tb³⁺和配体BBDC引入Fc-PBA分散液中，得到负载在Tb-MOF中的Fc-PBA。