1、文献题目
Newly Constructed NiCo2O4 Derived from ZIF-67 with Dual Mimic Enzyme Properties for Colorimetric Detection of Biomolecules and Metal Ions
文献期刊：ACS Appl. Mater. Interfaces
10.1021/acsami.1c06705
2、文献作者
刘敬民，南开大学医学院副教授。主要研究领域或方向：1、食品安全检测。2、纳米生物成像。3、癌症诊断治疗。
王硕，南开大学医学院特聘教授。国家杰出青年科学基金获得者、博士生导师。主要研究领域或方向：(1) 小分子免疫检测理论和检测新技术的研究与开发；(2) “仿生抗体”合成与反应机理及替代生物抗体免疫检测理论和检测技术；(3) 食品加工过程质量安全控制技术的研究和开发；(4) 食品安全风险评估。
3、文献提出的科学问题
集成新型生物/纳米结构作为有效的传感平台对于稳健和快速的分析仍然具有重要意义。双金属氧化物因其新颖的结构和化学性质在催化领域显示出巨大的潜力，而且MOFs为双金属氧化物的制备提供了良好的模板。
4、分解为几个研究目标
1、采用具有规则形貌的钴基MOFs(即ZIF-67)作为模板，通过分步自组装策略合成了一种新的模拟酶(NiCo2O4)。
2、以TMB为显色剂，建立了一系列灵敏的显色传感体系，用于检测半胱氨酸(Cys)、硫脲(Tu)、表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)、Fe2+、Fe3+、Cu2+和Mn2+。
5、研究总体方案
通过一步模板方法构建了MOF衍生的NiCo2O4，利用其双酶活性所建立的TMB + NiCo2O4显色传感系统能够有效检测Fe2+、Tu、Cys和EGCG。基于Cys/EGCG与金属离子的相互作用，TMB + NiCo2O4 + Cys反应体系可以实现Cu2+和Mn2+的比色检测，而TMB + NiCo2O4 + EGCG反应体系可以实现Cu2+和Fe3+的简单检测。
6、方法和技术手段
SEM、TEM、XPS、XRD、FT-IR、UV-vis、EPR
7、主要研究成果
1、SEM、TEM结果显示原始的ZIF-67呈现出规则的菱形十二面体形状，表面光滑。在利用Ni2+代替ZIF-67的部分Co2+之后，表面变得粗糙和不规则。煅烧获得的NiCo LDH以合成NiCo2O4，观察到NiCo2O4显示出具有粗糙表面的不规则立方体形态，其平均尺寸为约827 nm。一般来说，较小的粒径会暴露更多的活性位点，从而导致催化剂活性的提高。进一步观察到晶格间距为0.25 nm的清晰晶格条纹，其被归属于NiCo2O4的(311)面，元素映射图像表明，O、Co和Ni元素均匀分布在整个NiCo2O4上。NiCo2O4的比表面积为68.88 m2·g-1，高于之前研究中报告的值。
2、XRD结果显示ZIF-67的衍射图与之前的研究非常吻合，表明其制备成功。2θ在11.1°、22.2°、34.1°和59.6°为中心的衍射峰指向(003)、(006)、(009)和(110)晶面，证明成功合成了NiCo LDH。在NiCo2O4的衍射图中可以观察到位于31.9°、37.0°、43.4°、56.4°和65.5°附近的衍射峰，它们分别与NiCo2O4的(220)、(311)、(400)、(422)和(440)晶面密切相关。FT-IR结果显示ZIF-67的傅里叶变换红外光谱与之前的报告非常一致。424cm-1处的特征峰归属于Co-N。1419、1139和991 cm−1处的吸收峰属于C−N拉伸模式，而1573 cm−1处的特征峰属于C=N键。在1304 cm−1处发现了N−H共混模式对应的吸收峰。这些结果进一步表明ZIF-67的形成。在NiCo LDH的FT-IR光谱中，位于654和548 cm−1附近的特征峰分别对应于Co−O和Ni−O。从NiCo2O4的FT-IR光谱中还观察到在726和548 cm−1处有两个吸收峰，分别属于Co−O和Ni−O。XPS显示了NiCo2O4的完整光谱，其中成功检测到Ni、Co和O元素，揭示了这些元素的存在，这一结果与上述能量色散谱分析完全一致。高分辨率o1s光谱可分为位于532.2、531.5和529.7 eV的三个主峰，分别归属于H2O、缺陷位氧和晶格氧。Co2p光谱有六个典型的拟合峰。其中797.8和784.1 eV的结合能峰属于Co2+， 796.4和781.0 eV的结合能峰属于Co3+，还观测到了802.9和787.3 eV的两个卫星峰。Ni 2p谱中检测到4个卫星峰，其结合能分别为881.9、879.2、865.4和861.7 eV。此外，位于874.2和856.2 eV的峰属于Ni3+，而位于873.3和854.0 eV的峰属于Ni2+。
3、利用NiCo2O4对TMB进行催化活性评价。当反应体系中只含有H2O2或TMB时，紫外-可见吸收光谱中没有明显的特征吸光度。而NiCo2O4加入反应体系后，在652nm附近有明显的吸收峰，说明无色的TMB被转化为蓝色的oxTMB。与TMB + NiCo2O4反应体系相比，TMB + H2O2 + NiCo2O4反应体系在约652nm处的特征吸光度增强。此外，TMB + H2O2的反应体系在约652nm处也出现了较弱的吸收峰，这可能与分解的H2O2较少有关。总之，这些结果表明NiCo2O4可能具有多种酶样性质，包括过氧化物酶样活性和氧化酶样活性。为了探索可能参与显色反应的活性氧，将IPA和BQ分别作为•OH和•O2−引入到反应体系中。当IPA加入到TMB + H2O2 + NiCo2O4的反应体系中时，吸光度明显下降，证实了•OH在显色反应中起着至关重要的作用。BQ加入TMB + NiCo2O4的反应体系后，吸光度呈下降趋势，这反映了•O2−的关键作用。根据我们之前的研究，在酸性条件下，•O2−可以转化为•OH，将TMB氧化为oxTMB。为了进一步证实自由基的存在，进行了电子顺磁共振(EPR)分析，检测到•OH对应的特征信号，证明NiCo2O4可以催化H2O2生成•OH。EPR谱为•O2−的形成提供了可信的证据，表明NiCo2O4具有类似氧化酶的活性。基于上述分析，具有酶样活性的NiCo2O4生成•OH和•O2−的可能机制如图所示。NiCo2O4不仅表现出优异的类过氧化物酶活性，而且表现出很强的类氧化酶性质。此外，值得注意的是，XPS结果证明了Co3+、Co2+、Ni3+和Ni2+的存在。与单一金属氧化物相比，NiCo2O4具有Ni3+/Ni2+和Co3+/Co2+的氧化还原对，可以进行更丰富的氧化还原反应，从而提高了催化活性。
4、为了更好地评价NiCo2O4的类酶催化活性，在H2O2存在和不存在的情况下，通过改变TMB的初始浓度进行稳态动力学试验。反应速度与TMB浓度呈正相关。然后，建立Michaelis - Menten曲线。可以清楚地看到，所有拟合曲线都具有良好的相关性，因此计算Km值。有H2O2时Km值为0.0932 mM，无H2O2时Km值为0.3486 mM。结果低于辣根过氧化物酶和先前报道的结果，表明具有良好催化活性的模拟酶NiCo2O4对TMB具有更高的亲和力。类酶NiCo2O4在室温下保存30天后仍保持较高的催化活性，表明其稳定性强。一般来说，pH值对基于具有酶模拟活性的功能材料的TMB显色反应有重要影响因此，我们还研究了NiCo2O4在不同pH值下，在H2O2存在和不存在的情况下的显色传感性能。在酸性条件下，反应体系表现出良好的显色感应性能，这可能是由于NiCo2O4在低pH值下具有较高的催化活性所致值得注意的是，在以前的研究中也观察到类似的现象考虑到使用H2O2可能会对环境造成危害并增加成本，基于TMB + NiCo2O4反应体系的检测分析将在以下章节中主要进行研究。
5、人们普遍认为，一些具有抗氧化性质的物质可能能够以TMB为底物抑制酶驱动的显色反应，这为还原性物质的视觉比色检测提供了依据。为此，在TMB + NiCo2O4反应体系中加入10种典型还原性物质，并对其吸光度变化进行监测。与其他还原性物质相比，Fe2+、Tu、Cys和EGCG的引入可以有效抑制显色反应，这主要是由于它们具有出色的抗氧化活性。众所周知，Tu经常被用于合成食品添加剂，长期摄入会对人体健康造成巨大损害。此外，半胱氨酸对限制细胞内谷胱甘肽合成中的氨基酸至关重要，而具有强抗氧化活性的EGCG对健康具有一些有益作用，建立快速检测这些物质的简单方法非常重要。因此，提出了不同浓度的Fe2+、Tu、Cys和EGCG的显色传感检测方法。值得注意的是，Fe2+(或Tu、Cys和EGCG)浓度与相应的吸光度之间存在显著的负相关，它们的线性相关系数约为0.99。
6、半胱氨酸和EGCG都可以与各种金属离子发生络合反应。根据这一原理，建立了一种测定金属离子的比色方法，图中给出了基于显色反应系统的金属离子检测示意图。在引入10个典型金属离子后，从图中可以看出，Cu2+和Mn2+都可以减弱Cys对显色反应的抑制作用，而Cu2+和Fe3+则可以降低EGCG对显色反应的抑制作用。因此采用TMB + NiCo2O4 + Cys反应体系建立了测定Cu2+和Mn2+的比色法，采用TMB + NiCo2O4 + EGCG反应体系建立了测定Cu2+和Fe3+的比色法。随着Cu2+浓度的增加，吸光度呈上升趋势。在0.008 ~ 0.1 mM范围内，吸光度与Cu2+浓度呈良好的线性关系。在0.08 ~ 1 mM范围内，吸光度随Mn2+浓度呈线性变化。如表所示，在TMB + NiCo2O4 + Cys显色传感系统中，计算出Cu2+和Mn2+的LOD值分别为0.0022和0.0181 mM。Cu2+和Mn2+的加样回收率分别高达98.4和96.5%。在TMB + NiCo2O4 + EGCG显色传感体系中，吸光度与Cu2+(0.08−2 mM)和Fe3+(0.008−0.1 mM)浓度呈良好的线性相关。Cu2+和Fe3+的LOD值分别为0.0153和0.0010 mM，而Cu2+和Fe3+的加样回收率分别为96.1和102.6%。这些结果略好于以前的报告，显示了其出色的分析性能。值得注意的是，从表中可以观察到，所开发的比色检测方法在实际样品中检测这些金属离子时表现出令人满意的分析性能。综上所述，本文提出的检测方法简单、灵敏，能够满足实际应用的需要。
8、作者给出结论
1、通过简单的一步的模板方法构建了一种新的MOF衍生的NiCo2O4，所构建的NiCo2O4具有多种酶样性质，包括过氧化物酶样活性和氧化酶样活性。
2、NiCo2O4具有较高的类氧化酶活性，可将无色TMB氧化为蓝色TMB。所建立的TMB + NiCo2O4显色传感系统能够有效检测Fe2+、Tu、Cys和EGCG。
3、基于Cys/EGCG与金属离子的相互作用，TMB + NiCo2O4 + Cys反应体系可以实现Cu2+和Mn2+的比色检测，而TMB + NiCo2O4 + EGCG反应体系可以实现Cu2+和Fe3+的简单检测。
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