天然氧化酶结构启发：定制具有靶向识别与氧化性能的铜基金属有机框架纳米酶用于汗液抗坏血酸传感器

以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者Nanozymes

通过可穿戴电化学传感器实时监测汗液中的各项生物分子水平能够反映出人体的生理状态，这对于实现运动健康管理，疾病的预防与诊疗具有重要意义。尽管天然氧化酶能够选择性催化汗液中的目标分子并产生特异性响应，但天然氧化酶催化活性与汗液中的溶解氧密切相关，且在体外环境中稳定性差，严重制约了天然氧化酶在汗液传感器中的实际应用。这也促使研究人员开始探索适用于汗液传感的纳米酶材料。尽管目前许多纳米酶如金属基纳米酶和碳基纳米酶都具有很高的生物分子电氧化活性，但其结构简单，并不含有任何目标分子的特异性识别位点，这也意味着汗液中的乳酸、抗坏血酸、尿酸等分子均会被纳米酶材料无差别地捕获和催化氧化。因此，目前的纳米酶材料无法真正实现目标汗液分子的特异性灵敏响应。综上，为汗液分子传感定制具有特异性捕获和催化氧化性能的纳米酶仍然是一个挑战。

天然氧化酶结构为设计纳米酶提供了重要启示。对于天然抗坏血酸氧化酶，色氨酸和组氨酸形成的一种口袋结构是其特异性识别位点，而铜离子则作为其催化中心。受天然抗坏血酸氧化酶结构启发，近日，华中科技大学刘宏芳教授、夏宝玉教授研究团队通过外延生长法和后合成处理法制备了色氨酸与组氨酸共修饰的铜基金属有机框架（Metal-organic framework，MOF）HT-STAM-17-OEt。该MOF单晶具有特异性识别与催化氧化抗坏血酸的性能，即使在高浓度的乳酸、尿酸等其他汗液分子存在条件下仍然能够完成对抗坏血酸的选择性捕获与催化氧化。

图1 定制天然抗坏血酸氧化酶启发的纳米酶用于汗液抗坏血酸传感器。a. 汗液传感器非侵入式健康监测。b. 抗坏血酸氧化酶，具有铜催化位点以及色氨酸（Trp）和组氨酸（His）形成的识别位点。c. 抗坏血酸氧化酶模拟的铜基金属有机框架。

研究团队选用Cu2(OH)3Cl作为前驱体来诱导STAM-17-OEt单晶的生长，并进一步使用后合成修饰法将色氨酸与组氨酸修饰到STAM-17-OEt上。通过扫描和透射电镜能够观察到色氨酸与组氨酸具有一定的刻蚀作用，会在STAM-17-OEt表面留下矩形缺陷，而STAM-17-OEt内部的晶体结构则保持完整。衰减全反射红外光谱实验结果显示出新的Cu-N特征峰与Cu-O振动峰的偏移，表明色氨酸与组氨酸能够攻击STAM-17-OEt表层的铜轮桨结构单元，并与铜形成了新的配位键。电化学测试结果表明STAM-17-OEt对抗坏血酸与乳酸均存在电化学响应，而经色氨酸-组氨酸混合处理过的HT-STAM-17-OEt则能够完全屏蔽高浓度乳酸的干扰，只展现出抗坏血酸特异性响应。HT-STAM-17-OEt能够实现汗液抗坏血酸的选择性灵敏响应，在酸性与碱性汗液中的抗坏血酸灵敏度分别为0.18 mA cm−2 mM−1和0.48 mA cm−2 mM−1。

图2 STAM-17-OEt与HT-STAM-17-OEt结构表征。a. Cu2(OH)3Cl与STAM-17-OEt的晶体结构。b. Cu2(OH)3Cl，STAM-17-OEt与HT-STAM-17-OEt的XRD表征。c, d. STAM-17-OEt和HT-STAM-17-OEt的FSEM。e. HT-STAM-17-OEt的内层结构的TEM及选取电子衍射。f. STAM-17-OEt与HT-STAM-17-OEt的衰减全反射红外光谱（ATR-IR）。

图3 HT-STAM-17-OEt的电化学行为及抗坏血酸传感性能。a, b. STAM-17-OEt，HT-STAM-17-OEt的循环伏安及电流时间曲线。c. HT-STAM-17-OEt在0.5 V（vs. Ag/AgCl）下对抗坏血酸的连续响应。d. HT-STAM-17-OEt在不同电解质条件下的灵敏度热度图。e, f. 基于HT-STAM-17-OEt的集成平台以及汗液抗坏血酸检测。

由等温量热滴定结果发现，HT-STAM-17-OEt中每一个铜轮浆结构单元存在两个抗坏血酸结合位点，且对抗坏血酸具有高的亲和力，而对乳酸的亲和力则非常小。亲和力的差异来自于色氨酸和组氨酸在铜轮桨上形成的结构。通过改变色氨酸与组氨酸的修饰配比，大量的电化学对比实验结果显示铜轮桨结构上两个色氨酸与一个组氨酸的组合才能实现抗坏血酸的特异性响应，而单个的氨基酸组合则无法屏蔽乳酸响应干扰。研究发现轴向配位的组氨酸与两侧配位的色氨酸能够形成两个口袋结构，并在STAM-17-OEt表面大量存在，这决定了抗坏血酸的特异性捕获性能。密度泛函计算显示在该结构上抗坏血酸的吸附能为‒0.17 eV，表明抗坏血酸的吸附能够自发进行，而乳酸吸附需要额外的能量。

图4 HT-STAM-17-OEt的抗坏血酸特异性识别机制分析。a. HT-STAM-17-OEt对抗坏血酸和乳酸的等温量热曲线。b. 通过密度泛函计算得到的负载Trp、His的铜轮桨结构对抗坏血酸和乳酸的优化结构。c. 汗液抗坏血酸的识别示意图。

极化曲线结果证实了0.5 V下HT-STAM-17-OEt具有非常强的氧化性，表明电场能够激发STAM-17-OEt产生具有强氧化性的中间态。原位电化学红外光谱实验结果证实电场会导致HT-STAM-17-OEt中的吸附水发生氢氧根电离，表明电场激发的带正电铜轮桨结构为抗坏血酸催化氧化中心。而抗坏血酸的电氧化过程也伴随着HT-STAM-17-OEt中铜轮桨结构的轻微变化。进一步通过有限元模拟发现HT-STAM-17-OEt晶体的表层矩形缺陷十分有利于增大抗坏血酸催化过程的法拉第电流。

图5 HT-STAM-17-OEt电化学氧化抗坏血酸机制分析。a. HT-STAM-17-OEt在0.1 M NaCl中的极化曲线。b. 0.5 V下HT-STAM-17-OEt的原位红外表征。c. 电场活化前后的HT-STAM-17-OEt的XPS表征。d. HT-STAM-17-OEt的傅立叶变换交流伏安曲线的一级、二级、三级、四级谐波。e.带正电的铜轮桨结构作为抗坏血酸催化位点。f. 抗坏血酸的氧化过程。g, h. 电场条件下STAM-17-OEt与HT-STAM-17-OEt有限元模拟的三维电流分布。i. 不同过电位条件下的HT-STAM-17-OEt表层电流分布。

转自：“NANO学术”微信公众号

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