应用领域
Chem. Eng. J. | 有机-无机杂化纳米颗粒Ade-Cu具有pH响应的过氧化物酶/卤过氧化物酶双酶活性及其在抗菌与H₂O₂传感中的应用
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详细介绍
SEM与TEM分析（图1a）表明，Ade-Cu呈颗粒状。粒径统计（图1d）显示其平均粒径为42±8 nm。Zeta电位测试（图1e）表明材料表面带较强正电荷（+26.3±0.4 mV），有利于在水中稳定分散。EDS面扫图谱（图1c）和XPS全谱（图1f）均证实Ade-Cu由C、N、O、P、Cu五种元素组成，且分布均匀。高分辨Cu 2p XPS谱图（图1g）显示，结合能峰分别位于934.6 eV（Cu2+ 2p3/2）、954.3 eV（Cu2+ 2p1/2）以及932.2 eV（Cu+ 2p3/2）、951.7 eV（Cu+ 2p1/2），说明Ade-Cu中铜以Cu+/Cu2+混合价态存在。FTIR分析（图1h）显示材料在1060 cm-1处出现磷酸根基团的特征伸缩振动峰，在1650 cm-1处保留腺嘌呤骨架的C=C/C=N振动峰。XRD图谱（图1i）进一步表明Ade-Cu呈现非晶态结构。
图1. Ade-Cu的基本表征
通过监测经典显色底物3，3’，5，5’-四甲基联苯胺（TMB）的催化氧化过程，验证了Ade-Cu的过氧化物酶活性。如图2b所示，在H2O2存在下，Ade-Cu能有效催化TMB氧化，伴随明显的蓝色出现及652 nm处的特征吸收峰。相反，单独使用Ade-Cu或单独使用H2O2均未出现该现象，证实了Ade-Cu具有过氧化物酶活性。Ade-Cu在酸性条件下表现出较高的类POD催化活性，其活性随pH升高先增强后减弱。在pH 5.0时观察到最强的过氧化物酶活性，而在pH 7.0时仅检测到微弱活性（图2c）。通过ROS淬灭实验结合电子自旋共振（ESR）检测，证实单线态氧（1O2）是该类过氧化物酶催化反应中的主要活性氧物种（图2d和2e）。
在卤过氧化物酶活性验证中，使用酚红（PR）作为溴化反应的特征显色底物，其原理是PR能够被次溴酸（HOBr）特异性溴化，生成蓝色产物溴酚蓝（Br4PR，λmax = 590 nm）。如图2f所示，在H2O2和NH4Br存在时，Ade-Cu有效催化PR溴化反应，于590 nm处出现显著的Br4PR特征吸收峰，并伴随溶液由粉红色变为紫色。相比之下，对照组（H2O2 + NH4Br + PR、Ade-Cu + NH4Br + PR及Ade-Cu + H2O2 + PR）均未检测到该吸收峰，证实了Ade-Cu具有类HPO催化活性。值得注意的是，Ade-Cu在中性至碱性条件（pH 7-12）下表现出优异的类HPO活性，而在酸性条件（pH < 7）下几乎未检测到活性（图2g）。
图2. Ade-Cu的酶活性表征
基于Ade-Cu独特的pH响应双酶活性机制，本研究开发了一种宽pH适应的高灵敏H2O2比色传感方法（图4a）。如图4b所示，在酸性条件（pH 5.0）下，基于其类POD活性，ox-TMB在652 nm处的吸光度随H2O2浓度增加而升高，在20-200 μM范围内呈现良好线性（图4e），线性方程为ΔA = 0.00478C + 0.09904（R2 = 0.9987），检出限为2.91 μM。在中性条件（pH 7.5）下，利用其类HPO活性，Br4PR在590 nm处的吸光度同样随H2O2浓度线性增加（10-200 μM，图4c和4f），方程为ΔA = 0.00577C - 0.03276（R2 = 0.9973），检出限为2.93 μM。在碱性条件（pH 10.0）下，该体系仍保持优异线性响应（10-150 μM，图4d和4g），方程为ΔA = 0.00545C - 0.01773（R2 = 0.9998），检出限为2.74 μM。为验证实际应用可行性，我们在不同pH条件下对天然海水样品进行了加标回收实验。结果显示，回收率为96.0%-106.0%，RSD低于5.50%，表明该方法在宽pH范围内具有高准确性与可靠性，适用于复杂环境样品的H2O2检测。
图3. Ade-Cu用于H2O2比色检测
活性氧与次卤酸均具备优异的杀菌作用。本研究以大肠杆菌（E. coli，革兰氏阴性）和粪肠球菌（E. faecalis，革兰氏阳性）为模型，系统考察了Ade‑Cu的抗菌性能。结果表明，在酸性环境中，Ade‑Cu通过其类过氧化物酶活性生成1O2；在碱性条件下，则基于其类卤过氧化物酶活性催化产生HBrO，两种途径均展现出显著的抗菌（图4）及生物膜抑制效果（图5）。
图4. Ade-Cu的杀菌效果
图5. Ade-Cu的生物膜抑制效果
03总结与展望
图1. Ade-Cu的基本表征
通过监测经典显色底物3，3’，5，5’-四甲基联苯胺（TMB）的催化氧化过程，验证了Ade-Cu的过氧化物酶活性。如图2b所示，在H2O2存在下，Ade-Cu能有效催化TMB氧化，伴随明显的蓝色出现及652 nm处的特征吸收峰。相反，单独使用Ade-Cu或单独使用H2O2均未出现该现象，证实了Ade-Cu具有过氧化物酶活性。Ade-Cu在酸性条件下表现出较高的类POD催化活性，其活性随pH升高先增强后减弱。在pH 5.0时观察到最强的过氧化物酶活性，而在pH 7.0时仅检测到微弱活性（图2c）。通过ROS淬灭实验结合电子自旋共振（ESR）检测，证实单线态氧（1O2）是该类过氧化物酶催化反应中的主要活性氧物种（图2d和2e）。
在卤过氧化物酶活性验证中，使用酚红（PR）作为溴化反应的特征显色底物，其原理是PR能够被次溴酸（HOBr）特异性溴化，生成蓝色产物溴酚蓝（Br4PR，λmax = 590 nm）。如图2f所示，在H2O2和NH4Br存在时，Ade-Cu有效催化PR溴化反应，于590 nm处出现显著的Br4PR特征吸收峰，并伴随溶液由粉红色变为紫色。相比之下，对照组（H2O2 + NH4Br + PR、Ade-Cu + NH4Br + PR及Ade-Cu + H2O2 + PR）均未检测到该吸收峰，证实了Ade-Cu具有类HPO催化活性。值得注意的是，Ade-Cu在中性至碱性条件（pH 7-12）下表现出优异的类HPO活性，而在酸性条件（pH < 7）下几乎未检测到活性（图2g）。
图2. Ade-Cu的酶活性表征基于Ade-Cu独特的pH响应双酶活性机制，本研究开发了一种宽pH适应的高灵敏H2O2比色传感方法（图4a）。如图4b所示，在酸性条件（pH 5.0）下，基于其类POD活性，ox-TMB在652 nm处的吸光度随H2O2浓度增加而升高，在20-200 μM范围内呈现良好线性（图4e），线性方程为ΔA = 0.00478C + 0.09904（R2 = 0.9987），检出限为2.91 μM。在中性条件（pH 7.5）下，利用其类HPO活性，Br4PR在590 nm处的吸光度同样随H2O2浓度线性增加（10-200 μM，图4c和4f），方程为ΔA = 0.00577C - 0.03276（R2 = 0.9973），检出限为2.93 μM。在碱性条件（pH 10.0）下，该体系仍保持优异线性响应（10-150 μM，图4d和4g），方程为ΔA = 0.00545C - 0.01773（R2 = 0.9998），检出限为2.74 μM。为验证实际应用可行性，我们在不同pH条件下对天然海水样品进行了加标回收实验。结果显示，回收率为96.0%-106.0%，RSD低于5.50%，表明该方法在宽pH范围内具有高准确性与可靠性，适用于复杂环境样品的H2O2检测。
图3. Ade-Cu用于H2O2比色检测活性氧与次卤酸均具备优异的杀菌作用。本研究以大肠杆菌（E. coli，革兰氏阴性）和粪肠球菌（E. faecalis，革兰氏阳性）为模型，系统考察了Ade‑Cu的抗菌性能。结果表明，在酸性环境中，Ade‑Cu通过其类过氧化物酶活性生成1O2；在碱性条件下，则基于其类卤过氧化物酶活性催化产生HBrO，两种途径均展现出显著的抗菌（图4）及生物膜抑制效果（图5）。
图4. Ade-Cu的杀菌效果图5. Ade-Cu的生物膜抑制效果03总结与展望
综上，Ade‑Cu杂化纳米颗粒表现出智能的pH响应型双酶活性：在酸性条件下（pH 4.0-6.5）主要表现为类过氧化物酶活性，而在中性至碱性环境中（pH 7.0-12.0）则专一性地呈现类卤过氧化物酶功能。特别值得指出的是，这些纳米颗粒通过极为简便的室温一步共沉淀法成功制备。该方法能够快速、高效地合成，几乎即时形成大量Ade‑Cu沉淀。研究结果表明，腺嘌呤与Cu2+之间的协同配位结构是实现这一高效pH可切换双酶催化功能的分子基础。基于其独特的pH响应催化特性，我们构建了一个通用的比色检测平台，能够在宽pH范围（酸性至碱性）内实现对H2O2的高灵敏检测（检出限：2.74-2.93 μM），有效克服了酶及纳米酶体系通常受限于狭窄pH窗口的缺陷。此外，该体系在不同pH下选择性生成的活性物种（酸性pH下产生1O2，中性/碱性pH下生成HBrO）展现出优异的pH自适应杀菌效果和生物膜抑制能力。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894726008338?sessionid=
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