以下文章来源于分析化学方法 ，作者科研小组
背景介绍
CsPbX3钙钛矿纳米晶体是一种优良的光学材料，在光电子领域表现出巨大的应用前景。然而，很少有报道探索钙钛矿纳米酶在生物催化应用中的纳米酶活性，而其在生物级联催化反应中的应用尚未见报道。其主要原图可能有：1)钙钛矿的结构特点使其稳定性容易受到许多外部环境（如极性介质、光、氧和热）的影响。水稳定性差、重金属离子泄漏带来的潜在毒性极大地限制了其在生物分析和生物催化中的应用。2)生物级联催化反应整合了至少两个反应，其中级联途径一般遵循一种酶的反应产物作为另一种酶的底物的顺序方式，需要多种酶的协同作用。相比之下，所报道的钙钛矿纳米酶的催化活性相对较少，仅限于过氧化物酶类活性，其纳米酶活性的多样性有待开发。
近期，扬州大学舒韵副教授课题组报道了利用具有氧化酶样活性的多功能CsPbBr3@Zr-MOF与具有过氧化物酶样活性的普鲁士蓝构建全纳米酶级联体系，与纸基装置结合实现双模式POC（point-of-care，即时检测）传感（比率荧光和比色）。该项研究以“Amphiphilic Polymer Capped Perovskite Compositing with Nano Zr-MOF for Nanozyme-Involved Biomimetic Cascade Catalysis”为题发表在Advanced Science上（Adv. Sci., 2023, 2304149）。扬州大学庞欢教授为论文共同通讯作者，2020级硕士研究生叶秋雨（已毕业）为论文第一作者。
研究主要内容
首先作者发现两亲性聚合物-辛胺接枝的聚丙烯酸（OPA）包覆的CsPbBr3纳米晶体具有类氧化酶和抗坏血酸氧化酶活性，并进一步探讨了其催化机理，表明O2被OPA-CsPbBr3纳米酶激活后，通过类氧化酶途径生成O2•−，O2•−直接氧化抗坏血酸生成H2O2。此外，将多功能CsPbBr3@ Zr-MOF和普鲁士蓝作为氧化酶样和过氧化物酶样纳米酶，构建纳米酶级联体系，以实现双模式(比率荧光和比色)生物传感。并结合智能手机-纸质point-of-care (POC)即时检测装置，实现了神经化学标志物抗坏血酸的简便、快速、灵敏和准确检测。
原理图：(A) OPA-CsPbBr3纳米晶体和PB参与的仿生级联催化可能的反应途径。(B)纸基装置中的仿生级联纳米酶反应，用于AA的双模比率荧光和比色检测。
结果与讨论
图1表明OPA-CsPbBr3 NCs具有类似氧化酶的催化活性。在饱和空气、N2和O2环境中研究了OPA-CsPbBr3 NCs催化TMB氧化的机理，结果证实了溶解氧在CsPbBr3催化的TMB体系中的关键作用。进一步评估了OPA-CsPbBr3 NCs的类氧化酶催化活性，结果表明，OPA-CsPbBr3纳米酶对底物具有较强的亲和力和较高的类似氧化酶的催化性能。
图图1：（A）OPA-CsPbBr3纳米晶体的TEM和HRTEM图像。（B）OPA-CsPbBr3的N2吸附-解吸等温线和相应孔径分布曲线（插图）。（C）OPA-CsPbBr3纳米酶催化TMB氧化的实时紫外-可见吸收光谱和溶液颜色变化图（插图）。（D）OPA-CsPbBr3纳米酶在空气、N2和O2环境中催化氧化TMB后的紫外-可见吸收光谱和溶液颜色变化图（插图）。（E）·OH和O2•−在OPA-CsPbBr3催化反应体系中的EPR光谱。（F）OPA-CsPbBr3催化不同浓度TMB随时间变化的紫外吸收曲线。
图2表明，OPA-CsPbBr3具有抗坏血酸类氧化酶活性，可以催化水溶液中AA的氧化，也证明O2参与了AA氧化的反应过程。通过EPR分析和电喷雾电离质谱(ESI-MS)研究了反应的过程，表明AA中的两个-OH组分脱氢，AA被氧化为DHAA (C6H6O6)，并产生了过氧化氢。为了进一步了解OPA-CsPbBr3作为类氧化酶催化AA氧化的反应机理和性能，进行了DFT模拟，如图2F所示，结合反应过程中的自由能变化，提出了CsPbBr3催化AA氧化的过程和机理。
图2：OPA-CsPbBr3纳米晶体催化AA前后的紫外-可见吸收光谱。（B） 在空气、N2和O2环境中，OPA-CsPbBr3催化AA在259nm处吸光度随时间变化曲线。（C）O2•−在不同反应体系中的EPR光谱。（D）AA（a）和DHAA（b）的ESI-MS谱图。（E）OPA-CsPbBr3催化AA氧化的反应途径。（F）OPA-CsPbBr3氧化酶样反应的自由能图以及催化AA的每个反应步骤的优化吸附构型图。
选择PB作为过氧化物酶样物质，取代天然辣根过氧化氢酶，构建无酶级联体系。图3A表明PB具有过氧化物酶样活性。从图3C可以看出，只有OPA-CsPbBr3、AA和PB同时参与反应，TMB可以被氧化生成TMBox。整个反应体系过程如图3D所示。
图3：(A）H2O2+TMB、PB+ H2O2+TMB和PB+TMB体系的紫外-可见吸收光谱。（B）·OH在PB催化反应体系中的EPR谱。（C）OPA-CsPbBr3+AA+TMB&PB、OPA-CsPbBr3+TMB&PB、OPA-CsPbBr3+AA+PB、OPA-CsPbBr3+AA和AA+TMB＆PB体系的紫外-可见吸收光谱。（D） OPA-CsPbBr3与PB构建的无酶级联体系的反应过程。
当OPA-CsPbBr3与Zr-MOF复合后，可以观察到CsPbBr3晶体材料负载于Zr-MOF表面。当加入AA后，Zr-MOF配体在450 nm处的蓝色荧光发射峰明显增强，而CsPbBr3在520 nm处的绿色荧光峰明显减弱，此时溶液在紫外光照射下由绿色变为蓝色(图4B)。因此，构建了基于CsPbBr3@Zr-MOF纳米复合材料的比率型荧光传感器用于检测AA。为了进一步研究感应机理，对加入不同浓度AA前后纳米复合材料的两个荧光峰的荧光寿命进行了监测，发现随着AA浓度的增加，双指数函数拟合得到的Zr-MOF的荧光寿命从8.08 ns增加到17.37 ns(图4C)，而CsPbBr3的荧光寿命从13.19 μs下降到10.12 μs(图4D)。这主要是因为Zr-MOF的大比表面积有利于AA结合，AA与Zr-O簇之间的强相互作用会破坏Zr-MOF的晶体结构，释放配体BDC-NH2，从而增强配体的荧光强度。采用CsPbBr3@Zr-MOF和PB两种纳米酶材料，构建纳米酶级联体系，对AA进行定量比色检测（图4H和4I）。
图4：（A）CsPbBr3、Zr-MOF和CsPbBr3@Zr-MOF纳米复合材料的XRD谱图。（B）CsPbBr3@Zr-MOF添加AA前后溶液的荧光光谱和荧光实物图（插图）。（C）CsPbBr3@Zr-MOF添加不同浓度AA前后，在450nm和520nm发射波长下的时间分辨FL衰减曲线。（E）CsPbBr3@Zr-MOF添加不同浓度AA后的纳米复合材料溶液的荧光光谱和荧光实物图（插图）。（F） 相应的CIE色度图。（G）I520/I450与AA浓度的拟合曲线。（H）在不同AA浓度下，纳米酶级联体系生成TMBox的UV-vis光谱。（I）吸收峰强度与AA浓度的拟合曲线。
我们制备了一种便携式、低成本的AA检测纸基装置（图5A）。首先，采用简单的蜡质丝网印刷技术制备了均匀圆孔的纸基装置，并将CsPbBr3@Zr-MOF和PB分别涂在纸基装置的上下孔。将不同浓度的AA溶液滴入上层纸基圆孔中，反应10分钟后，纸基对折。此时，反应产物H2O2随缓冲液渗入下层纸基，与下层的PB-TMB体系进一步反应，生成蓝色产物TMBox。在紫外灯照射下，可以清楚地观察到上层纸基的荧光颜色由绿色变为蓝色，下层纸基的颜色由无色变为深蓝色。并用智能手机拍摄，利用智能手机应用程序处理图像。如图5B所示，将荧光色信号转换为G/B值比值，G/B值与AA浓度(30-100 μM)呈良好的线性相关，计算出LOD低至10.68 μM。此外，选取纵坐标和横坐标作为红色(R)值和AA浓度，比色信号的R色强与AA浓度(0 ~ 100 μM)呈线性关系(图5C)。
图5：(A）便携式纸基装置的制备和测试过程示意图。（B）荧光强度比值（G/B）与AA浓度之间的关系，纸基圆孔装置紫外光照射下的实际荧光图像（插图）。（C）色度强度（R）值与AA浓度之间的关系，纸基圆孔装置图像（插图）。
小结
综上所述，作者将具有氧化酶样活性的OPA-CsPbBr3纳米晶体应用于双模式生物传感的仿生级联催化。首先，通过两亲性聚合物配体辅助再沉淀法成功制备了具有良好水稳定性的OPA-CsPbBr3纳米晶体。此外，还发现了OPA-CsPbBr3具有氧化酶样和抗坏血酸氧化酶样活性。将具有类氧化酶活性多功能CsPbBr3@Zr-MOF与具有类过氧化物酶活性的普鲁士兰级联，构建了实现双模式（比率荧光和比色）生物传感的纳米酶级联系统。结合基于智能手机的纸质POC设备，实现了神经化学标记物的快速和灵敏检测。这是首次报道全无机CsPbX3钙钛矿在仿生级联催化中的应用，也为临床疾病的即时诊断开辟了新途径。
文章信息：
Qiuyu Ye, Enxian Yuan, Jin Shen, Mingli Ye, Qin Xu, Xiaoya Hu, Yun Shu,* Huan Pang,* Amphiphilic Polymer Capped Perovskite Compositing with Nano Zr-MOF for Nanozyme-Involved Biomimetic Cascade Catalysis, Adv. Sci., 2023, 2304149.
论文链接：
http://doi.org/10.1002/advs.202304149
转自：“NANO学术”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
