基于二维金属有机骨架纳米酶的便携式纸基分析装置用于敏感检测二氯酚

引言

全球工业化的快速发展给水环境带来了严重的污染问题,其中含有持久性有机污染物如酚类化合物的废水排放对人体健康构成了巨大威胁。二氯酚(Dcp)作为一种高毒性和致癌性的酚类污染物,广泛应用于防腐剂、兽药、农药生产和大规模饮用水消毒等领域。由于其难降解性,Dcp已成为危害公众健康的长期隐患。因此,迫切需要开发准确可靠的传感器来检测Dcp。现有的分析Dcp的方法包括色谱法、分子印迹分析技术和电化学方法等,但这些方法通常需要昂贵的设备和复杂的检测流程,检测灵敏度较低,使得Dcp分析繁琐、耗时且不切实际。

相比之下,比色传感器由于其简单性、高效性和快速性而受到广泛关注。将纸基分析装置(PADs)与手机相结合,为便携式传感应用提供了一种便捷且经济实惠的方法。然而,目前报道的大多数PADs依赖于昂贵的识别探针如抗体或者核酸探针,并需要外部刺激如激发光,这限制了它们在Dcp便携式分析中的广泛应用。因此,设计和开发能够直接实现Dcp裸眼检测的创新型高性能PADs至关重要,这将为监测和控制Dcp污染提供更加实用和经济高效的方法,从而改善环境质量和公众健康。

近年来,纳米酶因表现出酶类似的特性而引起了广泛关注。将纳米酶应用于比色传感器的开发蕴含着巨大潜力,已成功应用于靶标分析。其中,利用过氧化氢作为反应物的过氧化物酶样(POD样)纳米酶,能够催化底物氧化并伴有颜色变化,为开发新型Dcp传感器提供可能,尤其是在PADs中的应用。

金属有机框架(MOFs)基纳米酶由于其高孔隙度、可调配的配体和金属节点而颇受关注。然而,当前基于MOFs纳米酶的传感器存在固有缺陷:首先,MOFs纳米酶通常分散性有限,易发生沉淀,从而影响其催化活性;其次,大部分MOFs纳米酶的活性位点隐藏于框架内部,导致底物分子扩散受阻,严重限制了催化性能;第三,大多数报道的MOFs纳米酶同时具有过氧化酶样(OXD)和POD样活性,在无法控制和不可逆的O₂存在下,可能导致O₂直接氧化底物,影响检测准确性。

最近,二维(2D) MOF基纳米酶因具有较大的暴露表面积、更易进入催化活性位点以及高密度的结合位点而备受关注。基于此,设计和制备仅具有POD样活性、分散性优良的2D MOF纳米酶对于开发可靠的Dcp PADs至关重要。然而,目前尚未见报道2D POD样MOF纳米酶为基础的Dcp PADs。

本文合成了一种2D Cu TCPP(Fe)(简称2D-CTF)MOF纳米酶,具有出色的分散性和独特的POD样活性。该2D-CTF纳米酶在Dcp存在下表现出独特的响应,因Dcp分子与2D-CTF上的Fe-N₄活性位点的络合作用而抑制其催化活性。基于此,我们开发了基于2D-CTF纳米酶的简单、低成本、便携式PADs用于Dcp的肉眼检测和定性分析,避免了O₂存在对实际样品检测的影响,为简单、快速和便携式的可视化检测策略提供了新思路。

结果与讨论

1. 2D-CTF的合成与表征

为了设计具有POD样活性的2D MOF纳米片,选择了类血红素的金属卟啉多齿配体TCPP(Fe)作为有机配体。透射电子显微镜(TEM)图像显示,合成的2D-CTF展现出均匀分散的超薄片状形貌。BET比表面积测量结果为26.54 m²/g,表明2D-CTF具有多孔结构,这为其展现高纳米酶催化活性提供了关键前提。XRD结果证实了2D纳米片的晶体结构。EDS元素映射分析显示2D-CTF中元素分布均匀,Fe和Cu元素仅来自于Fe-N₄结构和Cu₂(COO)₄节点,这证明了框架中扩展的原子排列。FT-IR结果中2930 cm^-1附近的特征峰归属于TCPP(Fe)中卟啉骨架的振动,表明TCPP(Fe)连接单元成功集成到框架中。XPS分析结果进一步验证了2D-CTF表面C、N、Cu、Fe和O元素的存在。Fe 2p XPS峰与TCPP(Fe)的结果一致,表明Fe可能未参与配位反应,Fe-N₄结构在MOF生长过程中得以保留。

2. 2D-CTF的POD样活性

通过UV-vis光谱研究了2D-CTF的POD样活性。在H₂O₂存在下,2D-CTF催化TMB溶液呈现明显的蓝色,并在652 nm处出现强吸收峰。在没有2D-CTF或H₂O₂的体系中,仅观察到弱吸收。此外,作者优化了TMB和H₂O₂的最佳浓度为0.3 mM和0.8 mM,反应时间为30 min。增加2D-CTF用量,溶液吸收值相应增强,表明二者呈正相关。动力学研究也证实了2D-CTF的出色POD样活性。为进一步证明2D-CTF的POD样活性,作者还使用另一种颜色底物ABTS进行了测试,结果与TMB体系一致。此外,2D-CTF的POD样活性在pH 3-7范围内表现出较高的pH依赖性,即使在中性条件下(pH 7.0)仍保留60%的活性。

为探究POD样活性的来源和确定2D-CTF的活性位点,作者制备了类似的2D Cu-TCPP(2D-CT) MOF,具有与2D-CTF相同的框架结构但无Fe-N₄结构。结果表明,2D-CT表现出微弱的POD样活性,证明Fe-N₄是2D-CTF纳米酶POD样活性的关键。此外,加入SCN-作为Fe(III)的配体可抑制2D-CTF的POD样活性,进一步证实Fe-N₄为活性位点。TCPP(Fe)本身的催化活性远低于2D-CTF,说明MOF结构在增强POD样活性方面发挥了关键作用。2D片状结构提高了Fe-N₄位点的利用效率,提供了更多可及的活性位点。综上所述,2D-CTF具有出色的POD样催化活性。

3. 2D-CTF对酚类化合物的响应

加入酚类物质能显著降低吸收强度,并随酚类浓度升高而进一步下降,表明2D-CTF的POD样活性与酚类物质浓度呈反比关系。这可能归因于酚类物质与2D-CTF中的Fe-N₄活性位点配位作用。进一步研究发现,二酚类化合物如Dcp较单酚类如酚更易降低2D-CTF的POD样活性。电化学试验和XPS表征也证实了Dcp与2D-CTF间的络合作用,从而抑制了2D-CTF的催化活性。这些结果表明,特别是二酚类化合物作为有效抑制剂,能显著降低2D-CTF纳米酶的催化活性。

4. 基于2D-CTF的Dcp比色检测

基于2D-CTF的POD样活性及其对Dcp的独特响应，将其应用于Dcp的简单、灵敏的比色检测平台。当加入Dcp时,Dcp会吸附在2D-CTF表面并占据活性位点,从而抑制其POD样活性,进而抑制TMB的氧化。随着Dcp浓度(0-40 μM)的增加,溶液逐渐由蓝转为浅色。监测溶液在652 nm处的吸收变化,可得到Dcp含量与吸收强度的线性关系,线性回归方程为A₆₅₂ = -0.0312C_Dcp + 0.8289, R² = 0.9945,检出限为0.2 μM。该基于2D-CTF的比色平台可实现对Dcp的快速定量检测,无需复杂的仪器和样品预处理,适用于现场监测。

结论

通过将2D-CTF纳米酶应用于简单、低成本的PADs,可实现Dcp的裸眼检测和定性分析。2D-CTF纳米酶独特的POD样活性及其对Dcp的独特响应,使其成为Dcp检测的理想候选物。与传统基于抗体或核酸探针的PADs相比,该2D-CTF基PADs无需额外的识别元件或外部刺激,为Dcp的便携式可视化检测提供了新的思路,有望进一步推动环境中酚类污染物的有效监测与控制,最终改善环境质量和公众健康。

参考文献

Chang, J.; Hu, R.; Zhang, J.; Hou, T.; Li, F., Two-dimensional metal-organic framework nanozyme-mediated portable paper-based analytical device for dichlorophen assay. Biosens. Bioelectron. 2024, 255, 116271.