锰修饰卟啉金属-有机骨架介导比色-光热双通道探针对有机磷农药的灵敏检测

有机磷农药（OPs）在农业生产中广泛应用，调控许多重要的农业过程，但与包括癌症和神经紊乱在内的多种疾病有关。OPs的残留通常使用色谱或质谱等方法来测量，这些方法可以检测到特定的化学片段。通过将检测试剂与纳米材料结合，已经开发出的传感器显示出更高的灵敏度，可报告环境中OPs的活性，并提供适用于现场检测的视觉读数。然而，目前的OPs检测策略存在一些局限性。例如，由于可用的显色底物种类有限，基于比色法的传感器具有有限的多重检测能力。此外，用于色谱或质谱分析的方法可能不够准确，某些OPs代谢物可能未被检测到，这可能是由于它们的低浓度或难以从复杂样品中提取。许多检测方法需要昂贵的仪器和专业操作，难以在资源有限的条件下应用。重要的是，现有的检测方法不容易适用于不同的实际检测场景。

基于此，安徽农业大学的研究者提出了一种新型的有机磷农药（OPs）活性传感器，称为PCN-224-Mn纳米酶光热比色双模探针。如图1所示，将Mn（II）配位到由锆（Zr）簇和卟啉配体组成的PCN-224的卟啉腔中，制备得到具有优异类氧化酶活性的PCN-224-Mn纳米酶。该纳米酶被设计为OPs检测的核心组件。PCN-224-Mn可以催化无色的3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）生成蓝绿色的氧化态TMB（oxTMB）。在808 nm近红外（NIR）光照射下，oxTMB表现出较高的光热效应。将L-抗坏血酸-2-磷酸（AA2P）作为酸性磷酸酶（ACP）的底物，在ACP的催化下水解为抗坏血酸（AA）。AA的生成会减少oxTMB的形成，从而削弱比色和光热信号。OPs的存在会不可逆地抑制ACP的酶活性，阻断AA2P水解成AA的过程。这种抑制作用导致TMB显色反应的恢复和溶液温度的升高。通过监测比色和光热信号的变化，实现了对OPs残留的半定量、目视、双模检测。简单地说，OPs抑制ACP活性，减少AA的生成，从而增强PCN-224-Mn催化TMB氧化的程度。氧化的TMB不仅产生可见的颜色变化，还在NIR照射下产生热信号。通过同时检测这两种信号，该方法实现了OPs的高灵敏度检测（图1B）。

摘要图：研制的探针比色法和光热双模检测OPs残留示意图。

研究者们成功制备了一种新型的金属有机框架纳米酶PCN-224-Mn，通过将Mn²⁺配位到由Zr6节点和TCPP配体组成的MOF的卟啉腔中。他们使用多种表征技术对这种新材料进行了全面分析。高分辨透射电镜（HR-TEM）观察显示，PCN-224-Mn呈现小颗粒聚集的球形结构，平均粒径从原始PCN-224的76.9±10.5 nm增大至99.4±11.3 nm。Zeta电位测量结果进一步证实了Mn²⁺的成功掺杂，电位从25.2±0.7 mV降至-3.9±0.4 mV。动态光散射（DLS）数据显示，掺杂后水动力直径增大，可能与PCN-224的水化能力增强有关。X射线衍射（XRD）分析表明，Mn²⁺掺杂后PCN-224的结晶度明显降低，这可能是由于Mn²⁺掺杂导致MOF晶体无序性增加。X射线光电子能谱（XPS）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）分析确认了Mn元素的成功掺杂，其含量达到25.81wt%。高分辨XPS谱图显示Mn以Mn²⁺和Mn³⁺两种价态存在，而Zr主要以Zr⁴⁺形式存在。傅里叶变换红外（FTIR）光谱分析揭示了PCN-224-Mn表面的官能团变化，特别是N-Mn键的形成证实了卟啉空腔与Mn²⁺的成功配位。热重分析（TGA）和微分热重（DTG）曲线表明，Mn²⁺修饰后的PCN-224结构具有良好的热稳定性，在550°C以上温度下质量趋于稳定。紫外-可见吸收光谱分析显示，PCN-224-Mn的Soret带明显红移，Q带强度减弱，进一步证实了Mn²⁺与卟啉腔的配合。

图1PCN-224-Mn的物理化学性质。（A，B）（A）PCN-224和（B）PCN-224-mn的HR-TEM图像。插图为它们的粒径分布。（C，D）（C）Zeta电位，（D）水动力尺寸。（E）XRD谱图。（F）XPS测量谱。（G）Mn2p的高分辨率XPS光谱。（H，I）（H）FTIR光谱和（I）其局部放大图。（J）TGA曲线。（K）DTG曲线。（L）紫外-可见吸收光谱。

研究者对PCN-224-Mn的催化性能和光热特性进行了详细的研究和优化。他们首先通过紫外-可见光谱分析证实了PCN-224-Mn对TMB、OPD和ABTS的催化氧化能力，这为PCN-224-Mn的模拟氧化酶催化活性提供了强有力的支持。为获得最佳的催化活性，研究者们系统地优化了多个关键参数。他们发现PCN-224-Mn浓度为0.3 mg/mL时，催化效果最佳。反应时间方面，6分钟后反应达到动态平衡。pH值实验表明，PCN-224-Mn在酸性环境（pH3-5）下表现出较强的催化活性。温度实验显示，在4°C至60°C的宽泛范围内，催化效果没有明显差异，为实际应用提供了便利。研究者们通过稳态动力学试验进一步评估了PCN-224-Mn的模拟氧化酶活性。通过Michaelis-Menten方程计算得出的Km值（0.325 mM）较低，表明PCN-224-Mn对TMB具有较强的亲和力，这一特性优于许多其他类似的纳米酶。

特别值得注意的是，研究者们发现氧化态的TMB（oxTMB）在808 nm处表现出强烈的吸收，展现了良好的光热转换潜力。在近红外光照射下，oxTMB溶液的温度持续升高，16分钟后趋于稳定。这一发现为PCN-224-Mn在光热应用方面开辟了新的可能性。研究者们还探讨了激光功率对oxTMB光热效应的影响，发现随着近红外功率的增加，溶液温度持续升高。基于这些结果，他们选择了2 W/cm²的激光功率和16 min的照射时间作为后续光热性能分析的最佳条件。

图2类氧化酶催化活性的评价。（A）PCN-224-Mn存在时TMB溶液的紫外-可见吸收光谱。从左到右为PCN-224-Mn+TMB，PCN-224-Mn，TMB。（B）PCN-224-Mn存在下TMB溶液、OPD溶液和ABTS溶液的吸收光谱。虚线表示每种基质的对照组。（C，D，E，F）（C）PCN-224-Mn浓度、（D）反应时间、（E）pH、（F）孵育温度对PCN-224-Mn与TMB催化反应的影响。（G）不同TMB浓度下的Michaelis-Menten曲线。（H）同源双倒数（Lineweaver-Burk）方程。（1）PCN-224-Mn与TMB混合物在808nm近红外辐射下的温度变化。

研究者们深入探讨了PCN-224-Mn纳米酶在有机磷农药（OPs）检测中的应用机制和性能优化。他们首先证实了酸性磷酸酶（ACP）催化L-抗坏血酸-2-磷酸（AA2P）水解生成抗坏血酸（AA）的过程，以及AA与TMB之间的竞争效应。实验结果显示，当ACP和AA2P与TMB共存时，652 nm处的吸收峰强度明显降低，证实了这一竞争机制。研究者们还发现OPs能有效抑制ACP活性，从而恢复PCN-224-Mn与TMB的催化氧化反应。这一发现为构建OPs分析比色探针提供了理论基础。基于oxTMB的光热转换能力，研究者们进一步探索了该探针在OPs光热检测中的潜力。实验表明，OPs的存在导致探针溶液在近红外激光照射下温度升高更显著，为实现OPs的光热响应检测提供了可能性。为获得最佳的检测性能，研究者们系统优化了多个关键参数，包括ACP浓度、AA2P浓度、酶促反应时间、pH值和孵育温度。他们确定了最佳的ACP浓度（0.06 mg/mL）、AA2P浓度（2 mM）、酶促反应时间（30 min）、pH值（4）和孵育温度（37 °C）。

图3探针的构建及反应条件的优化。（A）OPs以及ACP和AA2P的反应产物对PCN-224-Mn+TMB溶液紫外-可见吸收光谱的影响。（B）ACP浓度对探针溶液吸收光谱的影响。（C）近红外辐照（808 nm，2 W/cm²）下，加OPs和不加OPs的探针溶液温度变化曲线（D-G，I）（D）ACP浓度、（E）AA2P浓度、（F）酶促反应时间、（G）缓冲溶液pH、（I）酶促培养温度对探针溶液吸光度的影响。（H）不同pH下PCN-224-Mn溶液的吸收光谱。

研究者们在最佳条件下，以草甘膦（Gly）为典型有机磷农药（OPs），评估了所构建探针的比色和光热分析性能。实验结果显示，随着Gly浓度的增加，探针溶液在652 nm处的吸光度逐渐增加，证实了Gly通过抑制酸性磷酸酶（ACP）活性来调节酶促反应的机制。在5~10000 ng/mL的浓度范围内，探针溶液的吸光度与Gly浓度的对数呈良好的线性关系。比色检测的检出限（LOD）为1.47 ng/mL，同时溶液颜色随Gly浓度增加由浅绿色变为蓝绿色，提供了直观的视觉判断。光热响应实验表明，探针溶液的温度随Gly浓度增加而升高，在相同的浓度范围内表现出良好的线性关系。光热检测的LOD为2.00 ng/mL。研究者们指出，与已报道的探针相比，该探针在比色和光热检测模式下具有更低的LOD和更宽的检测范围。更重要的是，双模式检测有效消除了常见的仪器或人为误差，提高了检测数据的准确性和可靠性。

图4（A，C）（A）不同浓度Gly（0~100000 ng/mL）的探针溶液的紫外-可见吸收光谱及相应照片。（B）吸光度与甘氨酸浓度对数之间的线性关系。（D）温度变化（ΔT）与Gly浓度的关系图。（E）温度变化与Gly浓度对数的线性关系。（F）各探针溶液对应的光热图像。

研究者们对所开发的探针进行了全面的选择性和稳定性评估。他们考察了探针对各种常见离子、生物大分子、有机磷农药（OPs）和非OPs农药的比色和光热响应。实验结果显示，只有OPs引起了吸光度和温度的显著变化，而其他干扰物质的影响可以忽略不计，即使它们的浓度远超OPs，证明了探针对OPs的优异选择性。进一步研究表明，这些干扰物质与OPs共存时，几乎不影响探针的检测稳定性，体现了探针出色的抗干扰能力。研究者们还评估了探针在高浓度盐离子存在下的性能，结果显示探针具有良好的耐盐性和检测稳定性。储存稳定性测试表明，探针在-20℃下储存15天后，其比色和光热信号仍保持在原始状态的90%以上，证实了其优异的储存稳定性。

图5双模探针对OPs的选择性和抗干扰性。（A，C）（A）探针对各种干扰物质的比色和（C）光热响应。Gly、Dichl和chlor3种OPs的浓度均为1 μg/mL，其他干扰物质的浓度均为10 μg/mL。（B，D）（B）在干扰物质和OPs存在下探针的比色和（D）光热响应。

研究者们在评估了比色法和光热法对有机磷农药（OPs）的分析性能后，进一步验证了该探针在实际样品中的应用潜力。他们选择了茶叶、糙米和小麦粉作为代表性样品进行测试。研究者们在评估了比色法和光热法对有机磷农药（OPs）的分析性能后，进一步验证了该探针在实际样品中的应用潜力。他们选择了茶叶、糙米和小麦粉作为代表性样品进行测试。

本研究开发了一种创新的双模态检测平台，基于PCN-224-Mn纳米酶，用于高灵敏检测有机磷农药（OPs）残留。这种方法的核心在于PCN-224-Mn的模块化结构，通过调节Mn²⁺与卟啉空腔的配位，可以优化其氧化酶样活性，实现对不同OPs的精确检测。该平台巧妙地结合了比色法和光热法，以TMB作为共同信号分子。oxTMB在652 nm的特征吸收提供了可视化的比色信号，而在808 nm近红外光照射下产生的光热效应则提供了温度信号。这种双信号检测策略不仅提高了检测的准确性，还显著提升了灵敏度。研究者们还引入了基于酶促反应的双重信号放大机制。AA2P水解产物与TMB的竞争关系，以及OPs对ACP活性的抑制作用，共同导致信号显著变化，进一步提高了检测灵敏度。这使得该方法能够在实际样品中准确检测低浓度的OPs。通过对三种实际样品进行加标回收率实验，研究者们验证了该探针在食品安全监测中的实际应用潜力。结果表明，该方法不仅适用于实验室环境，还特别适合在资源有限的条件下进行快速筛查。总的来说，这项研究为开发简单、灵敏、可靠的多模态快速分析方法提供了新的思路，不仅适用于OPs检测，还可能扩展到其他安全危害因素的检测。这种创新方法在食品安全、环境监测等领域具有广阔的应用前景，为相关领域的研究和实际应用开辟了新的方向。

论文链接：https：//doi.org/10.1016/j.jcis.2024.02.062