研究背景

三磷酸腺苷（ATP）作为生命活动的通用能量货币，是评估生物活性、代谢状态与细胞活力的核心指标，其浓度动态变化与微生物污染、癌症、神经退行性疾病等密切相关。在环境监测、食品安全与生物医学领域，精准检测复杂生物样本中 ATP 含量具有重要应用价值。

传统天然酶稳定性差、制备成本高、储存条件苛刻，限制其实际应用。自 2007 年纳米酶概念提出以来，多种纳米材料被发现具备模拟酶活性，成为构建高灵敏传感平台的核心组件。金属有机框架材料（MOFs）尤其是沸石咪唑酯骨架材料（ZIF-8），凭借高孔隙率、可修饰性与生物相容性，成为理想纳米酶载体。

但传统 ZIF 基纳米酶存在活性位点暴露不足、催化效率偏低、高温制备易致结构坍塌等问题。部分配体交换作为新型后修饰技术，可在保留 ZIF-8 完整结构与高比表面积的同时，实现金属原子高效锚定，为高性能纳米酶设计提供新思路。

研究内容

研究团队以 ZIF-8 为基底，采用部分配体交换法将 Pt²⁺精准锚定于 ZIF-8 框架，制备原子级分散 Pt/ZIF 复合材料；通过 TEM、XRD、XPS、FT-IR 等表征手段，明确 Pt 以单原子形式存在、ZIF-8 晶体结构完整保留。

系统探究 Pt/ZIF 类氧化酶活性与催化机制，优化催化条件；将荧光探针罗丹明 B（RhB）负载于 Pt/ZIF 孔隙中，获得 Pt/ZIF@RhB 复合材料，利用 ATP 与 Pt²⁺强配位能力，可竞争性取代 2 - 甲基咪唑、引发材料框架坍塌，导致类氧化酶活性显著降低与 RhB 荧光恢复。

基于此构建 ATP 比色 / 荧光双模检测平台，优化检测条件，评估方法选择性、稳定性与重现性，并应用于大肠杆菌培养液与临床胸水样本中 ATP 定量检测，验证实际应用价值。

图1. (A) Pt/ZIF 合成示意图，插图显示了在不同时间间隔下合成过程中的颜色变化。(B) ZIF-8 的扫描电子显微镜（SEM）图像。(C) Pt/ZIF 的透射电子显微镜（TEM）图像及能谱（EDS）图谱。(D) ZIF-8 及部分配体交换后的 Pt/ZIF 的 X 射线衍射（XRD）表征。(E) Pt/ZIF 的 X 射线光电子能谱（XPS）总谱。(F) C 1s 光谱及 (G) Pt 4f 光谱。

图2. 酶样活性研究。 (A) TMB + H2O2 + Pt/ZIF (a)、TMB + Pt/ZIF (b)、TMB + H2O2 + ZIF-8 (c)、TMB + ZIF-8 (d)、TMB + H2O2 (e)的可见吸收光谱。Pt/ZIF或ZIF-8 (100 μg mL^-1)，TMB (1 mM)，H2O2 (1 mM)。在所有情况下，光谱均在醋酸盐缓冲液（pH 4）中于25°C孵育15分钟后测量。 (B) 添加不同自由清除剂后Pt/ZIF相对酶活性的变化。 (C) 诱导基自由基加成物（TEMP-^1O2）的电子顺磁共振（EPR）光谱，显示Pt/ZIF在0.2 M HAc–NaAc缓冲液（pH 3）中氧化酶模拟催化过程中单线态氧的生成。 (D) Cyt C及其与Pt/ZIF反应的紫外-可见光光谱。

图3. (A) Pt/ZIF 的可见光谱，在与 1 mM ATP（pH 7.4 缓冲液）孵育 5 分钟前 (a) 和孵育后 (b)。 (B) Pt/ZIF 的 SEM 图像，孵育 1 mM ATP 不同时间前 (a) 和孵育后 (b)。 (C) Pt/ZIF 的 FT-IR 光谱 (a) 和 Pt/ZIF-ATP (b)。Pt/ZIF 在 100 μ 缓冲液中孵育 20 分钟，然后离心获得沉淀，并干燥以进行 FT-IR 测量。

图4. (A) Pt/ZIF@RhB对ATP的比色/荧光双模检测机制图。 (B) Pt/ZIF和Pt/ZIF@RhB的N₂吸附-脱附等温线及（插图）孔径分布。 (C) Pt/ZIF、RhB和Pt/ZIF@RhB的电位。 (D) Pt/ZIF (a)、RhB (b)及Pt/ZIF@RhB (c)的FT-IR光谱。 (E) RhB (a)和Pt/ZIF@RhB (b)的荧光光谱。

研究结果

1.材料结构与酶活性：Pt/ZIF 保留 ZIF-8 十二面体结构，Pt 以单原子形式均匀分布，无纳米颗粒团聚；其类氧化酶催化效率（Vmax/Km=7.38×10⁻⁴ s⁻¹）显著优于多数已报道纳米酶，催化活性源于单线态氧（¹O₂）生成，且具备良好 pH 与温度耐受性。

2.双模检测性能：比色模式检测范围为 1–10 μM、10–1000 μM，检出限 98.21 nM；荧光模式检测范围为 0.001–1 μM、1–1000 μM，检出限低至 0.64 nM。方法选择性优异，10 倍浓度干扰物质无明显信号干扰。

3.实际样本应用：大肠杆菌培养液中 ATP 含量与细菌生长阶段高度相关，检测结果与商用 ATP 试剂盒一致性良好；临床胸水检测显示，癌症患者胸水 ATP 水平最高，炎症患者次之，结核患者低于健康对照，与疾病代谢特征相符。

4.稳定性与重现性：Pt/ZIF@RhB 储存稳定性优异，5 次循环后酶活性保留 90% 以上，荧光特性保留 70% 以上，具备良好重复使用性。

图5. RhB吸附对Pt/ZIF的影响以及ATP孵育对Pt/ZIF@RhB类氧化酶活性和荧光强度的影响。(A) TMB在Pt/ZIF (a)、TMB在Pt/ZIF@RhB (b)及TMB在Pt/ZIF@RhB与ATP (c)中的可见吸收光谱。这里Pt/ZIF或Pt/ZIF@RhB在100 μL体系中，混合物在PBS缓冲液（pH 7.4）中于25℃孵育15分钟，TMB（1 mM）和ATP（1 mM）加入。测量前C条件。 (B) 100 μM RhB溶液(a)、Pt/ZIF@RhB孵育前(b)及与2.5 mM ATP孵育后(c)的荧光光谱。(C) Pt/ZIF@RhB在不同浓度ATP存在下催化TMB生成ox-TMB的可见吸收光谱。插图：对应不同吸收光谱的溶液图片。(D) Pt/ZIF@RhB在不同浓度ATP存在下的荧光光谱。(E) ATP比色检测的标准曲线。(F) ATP荧光检测的标准曲线。

图6. (A) 通过浊度法检测恒温培养过程中大肠杆菌在不同时间的生长情况。 (B) 对应于大肠杆菌培养不同时间的ATP浓度。由左到右的三种颜色分别为ATP试剂盒检测法、比色法和荧光法。不同患者胸腔积液细胞ATP含量的测定。 (C) 条形图与ATP试剂盒结果比较。 (D) 箱型图显示比色模式（蓝色）和荧光模式（黄色）的重复性。

技术优势

1.制备策略创新：部分配体交换法温和高效，保留 ZIF-8 完整孔道结构，实现 Pt 单原子高效锚定，避免高温碳化导致的结构坍塌与环境污染。

2.催化性能突出：原子级分散 Pt 位点最大化原子利用率，类氧化酶活性强、催化效率高，可高效催化显色底物 TMB，保障检测灵敏度。

3.双模信号互补：比色模式可裸眼半定量，操作便捷；荧光模式灵敏度更高，有效弥补比色法易受干扰的缺陷，实现结果相互校准。

4.适用场景广泛：可直接用于细菌培养液与临床胸水等复杂生物样本，无需复杂前处理，适配微生物快速检测与疾病辅助诊断需求。

结论与展望

本研究通过部分配体交换策略成功构建单原子 Pt 修饰 ZIF 基纳米酶，基于 ATP 响应性框架坍塌机制，开发高灵敏、高特异性比色 / 荧光双模 ATP 检测平台。该平台在大肠杆菌与临床胸水样本检测中表现优异，可精准反映微生物生长状态与疾病代谢特征，为复杂生物样本中 ATP 快速检测提供新型技术方案。

未来研究可进一步拓展材料功能，优化检测流程，实现微型化、便携式传感设备开发；同时拓展应用场景，用于食品中微生物污染快速筛查、临床体液样本即时检测等，推动纳米酶传感技术在生物医学与环境监测领域的实际转化。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.talanta.2026.129571