基于双金属纳米酶驱动的便携式水凝胶试剂盒用于检测全氟辛烷磺酸

摘要：全氟辛烷磺酸是一种新兴的有机污染物，需要强有力的现场检测策略来保障人类健康和生态平衡。本研究介绍了一种新型的即时检测(POCT)平台，将水凝胶试剂盒与纳米酶和智能手机技术相结合，用于高灵敏度的全氟辛烷磺酸检测。该策略利用铜取代钴基普鲁士蓝模拟纳米盒(CuCo-PBA NBs)，其具有复杂的空心结构和显着的过氧化物酶样催化活性，有效地催化过氧化氢(H₂O₂)氧化显色底物。密度泛函理论计算阐明了H₂O₂在CuCoPBA NBs上的吸附动力学，确定了提高催化效率的因素。该比色POCT平台将水凝胶试剂盒与智能手机界面集成在一起，展示了实用性，对PFOS的检出限为1.43 × 10⁻⁸ mol L⁻¹。本研究不仅为湖水、全血、尿液和牛奶等不同基质的全氟辛烷磺酸检测提供了一种新的纳米酶设计，而且为开发一种便携式、高效的POCT平台来检测各种新出现的污染物铺平了道路。

图1. 基于CuCo-PBA的便携式POCT全氟辛烷磺酸检测平台示意图。

图2. CuCo-PBA的制备及表征

Co-PBA NCs最初是在室温下用共沉淀法合成的，得到了平均横向尺寸为500 nm的固体立方结构纳米颗粒，如图2b、e所示。然后利用单宁酸蚀刻来制造空心Co-PBA NBs，同时保持立方形状，如图2c,f所示。随后，Cu²⁺通过离子交换过程被吸收，提供了保留空心双金属纳米盒结构的CuCo-PBA NBs，如图2d,g所示。透射电子显微镜(TEM)图像(图2h)显示，Cu₃[Co(CN)₆]₂·9H₂O的(200)晶面为有序的晶格条纹，其面间距为0.355 nm。元素映射图(图2i)显示Cu - PBA NBs中Cu、Co、C、N和O元素均匀分布，证实了成功合成。XRD谱图证实CuCo-PBA NBs的衍射峰与Cu₃[Co(CN)₆]₂·9H₂O相一致。没有可检测到的杂质，如图2j所示。为了进一步阐明其组成和表面化学状态，采用了x射线光电子能谱(XPS)(图2k)。如图2l所示，高分辨率Cu 2p XPS光谱显示两对峰对应于Cu⁺(932.5和952.3 eV)和Cu²⁺(935.0和954.7 eV)，表明CuCo-PBA NBs内部存在两种氧化态共存。此外，Co 2p谱被反卷积成四个峰，分别对应于Co²⁺的结合能为786.07和803.36 eV，对应于Co³⁺的结合能为796.69和781.49 eV（图2m）。

进一步地，使用TMB作为显色底物彻底评估了CuCoPBA NBs的过氧化物酶样活性（图3a）。值得注意的是，CuCo-PBA NBs有效地催化无色TMB氧化为蓝色TMB，在652nm处有明显的吸光度峰，仅在TMB和H₂O₂存在时才发生反应，突出了CuCoPBA NBs显著的过氧化物酶样活性。相比之下，不含CuCo-PBA NBs的H₂O₂-TMB体系在652nm处的吸光度最小。CuCo-PBA NBs的加入导致了明显的颜色变化和清晰的UV - Vis吸收峰，证实了它们的酶活性和催化H₂O₂驱动的TMB氧化的能力。此外，与其他基于PBA的纳米酶相比，CuCo-PBA NBs表现出更强的过氧化物酶样活性，这可能是由于其双金属协同催化、独特的空心结构、更大的表面积和更多的活性位点暴露。为了进一步验证其活性，我们将CuCo-PBA NBs与另外两种常见的氧化酶底物ABTS和OPD一起进行了测试，观察到与氧化相关的特征绿色和黄色(图3b)。通过分析CuCo-PBA NBs的稳态动力学参数，表征了其酶学性质。通过调整TMB (0.1 ~ 0.9 mmol L−1)和H₂O₂ (50 ~ 300 mmol L⁻¹)的浓度，同时保持其他变量在最佳浓度范围内不变，阐明了过氧化物酶样活性的动力学机制。CuCo-PBA nb催化的过氧化物酶样反应对两种底物都符合Michaelis - Menten动力学，如图3c,d所示。

图3. CuCoPBA NBs的过氧化物酶样活性探究

随后对全氟辛烷磺酸的分析性能及传感机理进行了探究。CuCo-PBA NB纳米酶以其明确的催化机制和抑制全氟辛烷磺酸的能力而闻名，被用于全氟辛烷磺酸检测的比色平台，如下图4a所示。最佳条件下，吸收信号减弱，对应于PFOS浓度的增加(图4b)。652 nm处的吸光度与PFOS浓度的对数在5.0 × 10⁻⁸ ~ 5.0 × 10⁻⁶ mol L⁻¹范围内呈线性关系，如图4c所示。计算的LOD为1.43 × 10⁻⁸ mol L⁻¹，为监测痕量PFOS提供了可靠的基准。此外，传感平台的特异性对其在复杂样品检测中的应用至关重要。如图4d所示，在等于或高于全氟辛烷磺酸2.5倍的浓度下，大多数分析物对全氟辛烷磺酸检测(2.0 × 10⁻⁶或5.0 × 10⁻⁶ mol L⁻¹)的影响可以忽略不计，显示出出色的选择性。虽然变价金属离子(如Fe²⁺和Cu²⁺)可以通过Fenton反应生成•OH，但其催化作用不足以影响检测结果。与全氟辛烷磺酸相比，全氟辛烷磺酸有一个额外的C - F单元，可能对氟化表面有更大的亲和力，可能吸附在具有相似C - F链长度的CuCo-PBA NBs上。采用DFT计算来证实所提出的假设。优化后的吸附复合材料结构如图4e所示。Cu-PFOS的吸附能(−0.348 eV)大于Co-PFOS的吸附能(−0.719 eV)，表明Co位点与PFOS之间的配位相互作用更强。这表明，由于Co/Cu和PFOS磺酸基之间的协同作用，Cu - PBA NBs中的Co/Cu位点优先被PFOS占据。此外，全氟辛烷磺酸利用其亲氟性和疏水性的C−F链，可以沿着全氟碳链吸附额外的全氟辛烷磺酸分子到CuCo-PBA NBs上。

图4. 全氟辛烷磺酸的分析性能及传感机理

最后，构建了基于便携式水凝胶试剂盒的全氟辛烷磺酸检测平台。开发了与智能手机集成的POCT平台，使用水凝胶试剂盒对全氟辛烷磺酸进行现场和定量分析。如图5a所示，CuCo-PBA NBs与水凝胶溶液混合，均匀涂抹在海绵上。水凝胶试剂盒在滴投后仍保持蓝色，便于无背景比色法测量全氟辛烷磺酸。为了实现实际的全氟辛烷磺酸检测，在POCT平台上实现了基于智能手机的信号读出系统(图5b)。利用“Color Assisted”APP，将不同PFOS浓度下的显色反应图像转换为RGB值。该平台清楚地显示，随着全氟辛烷磺酸浓度的增加，蓝色逐渐消失，因此易于视觉检测。由于CuCoPBA NBs的特殊催化活性和水凝胶试剂盒的设计，这种检测方法在现场特别有效。此外，我们还评估了基于水凝胶试剂盒的POCT平台的储存稳定性(图5d)。因此，建立了一种实用、可见、实时的全氟辛烷磺酸定量方法。

图5. 基于便携式水凝胶试剂盒的全氟辛烷磺酸检测平台

总结：

本研究提出了一种创新的POCT平台的开发，该平台利用水凝胶试剂盒和智能手机进行全氟辛烷磺酸的现场定量分析。该平台利用了CuCo-PBA NBs的纳米酶特性，其过氧化物酶样活性源于带负电荷的CuCo-PBA NBs与带正电荷的底物之间的静电吸引力，以及两种氧化还原活性对(Co²⁺/Co³⁺和Cu⁺/Cu²⁺)的存在。因此，利用CuCo-PBA NBs的基于水凝胶试剂盒的POCT平台可实现高灵敏度、低LOD和稳定的全氟辛烷磺酸检测。与一些传统传感器不同，本文描述的传感器结合了智能手机和水凝胶套件的优点，为快速现场检测提供了便携式，经济高效的解决方案。这种传感器在资源有限的环境中特别有价值。该研究不仅为高活性过氧化物酶类纳米酶的设计提供了新的见解，而且为开发便携式、可靠的纳米酶传感器提供了一种实用的方法。

参考文献：

Xu X, Ma M, Zhou X, et al. Portable Hydrogel Kits Made with Bimetallic Nanozymes for Point-of-Care Testing of Perfluorooctanesulfonate[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2024.