摘要：纳米酶因其独特优势，特别是在取代天然酶方面的潜力，受到了广泛关注。作为一种重要的纳米酶，类过氧化物纳米酶能够模拟天然过氧化物酶（POD）的功能，催化H₂O₂分解生成具有强烈活性的羟基自由基（•OH），进而氧化特定底物（如3,3’,5,5’-四甲基联苯胺，TMB

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*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2025年04月23日 江苏

研究速览

纳米酶因其独特优势，特别是在取代天然酶方面的潜力，受到了广泛关注。作为一种重要的纳米酶，类过氧化物纳米酶能够模拟天然过氧化物酶（POD）的功能，催化H₂O₂分解生成具有强烈活性的羟基自由基（•OH），进而氧化特定底物（如3,3’,5,5’-四甲基联苯胺，TMB），产生明显的比色反应。通过光谱分析这些颜色变化，可以实现快速、灵敏的定量检测，为大规模现场应用提供了一种简便且低成本的解决方案。其中，二维层状双氢氧化物（LDHs）作为一种典型的层状材料，因其可调节的化学成分、尺寸和厚度，成为纳米酶领域的研究热点。除了具备物理化学多样性，LDHs还天然具备POD类催化特性，展现出在比色传感应用中的巨大潜力。然而，基于LDHs的纳米酶催化活性仍有待提高，进一步的催化性能优化成为研究的关键。

济南大学于欣、王爱珠团队与西安电子科技大学王政团队合作，成功制备了富含氧空位的CoFe层状双氢氧化物量子点（CoFe QDs）纳米酶。通过密度泛函理论（DFT）评估，发现氧空位（VO）显著提高了CoFe LDH的类过氧化物酶（POD）活性。实验结果也验证了富含氧空位的CoFe QDs具有卓越的POD活性，进一步发展了一种简单且灵敏的多重生物标志物比色检测平台，能够对葡萄糖、谷胱甘肽（GSH）和亚硝酸盐进行高效定量检测。此外，该平台结合智能手机分析技术，能够实现实时、现场检测，提供了一种低成本、高效的解决方案，为个性化医疗和即时诊断提供了新的可能。文章以“Defect-Engineered CoFe Layered Double Hydroxide Quantum Dots: Oxygen Vacancy-Driven Boost in Peroxidase-Mimic Catalysis for Multiplex Biomarker Sensing”为题发表在了ACS Materials Letters上。该项工作得到了国家优秀青年基金、山东省杰出青年基金，山东省泰山学者青年专家项目等的大力支持。

要点分析

要点一：本研究运用密度泛函理论（DFT），评估了空位对钴铁层状双氢氧化物（CoFe LDHs）类过氧化物酶（POD）活性的影响。研究发现，空位会致使 CoFe LDHs-VO（即含氧空位的钴铁层状双氢氧化物）结构重组以及电子的重新分布，而这些变化进而影响了其分解 H₂O₂的潜在性能。DFT结果表明，在 CoFe LDHs 和 CoFe LDHs-VO中，中间体 2OH* 的吸附能均呈现负值，这意味着二者对该中间体的吸附较为稳定。此外，VO在催化过程中发挥着关键作用，它能够推动催化反应的进行，并在放热反应中促使羟基自由基的产生。值得注意的是，在这两种晶格体系中，由于整个反应过程为放热反应，从能量角度分析，羟基自由基的解吸也能够自发发生。而且，VO在不同的反应路径中均能有效促进催化反应的开展，提升反应效率。

要点二：研究围绕CoFe LDHs-VO量子点（CoFe QDs）的类POD催化活性展开，以3,3',5,5'- 四甲基联苯胺（TMB）为显色剂测试其催化过氧化氢（H₂O₂）产生羟基自由基（•OH）的活性，CoFe QDs产生的•OH能催化TMB氧化成氧化态TMB（oxTMB），其在652 nm 有最大吸收峰。与Co-OH，Fe-OH，CoFe LDHs相比，CoFe QDs具有最佳的类POD活性，在较低浓度下仍然具有优异的催化速率。利用电子自旋共振光谱对活性氧的产生进行了验证，发现在H₂O₂存在下产生典型•OH特征峰。进一步探究了不同材料类POD 活性与 H₂O₂、TMB 浓度关系，通过 Lineweaver - Burk 方程进行稳态动力学分析，结果表明 CoFe QDs 对 H₂O₂和 TMB 均具有优异的亲和力及反应速率。

要点三：鉴于实时检测葡萄糖、谷胱甘肽（GSH）和亚硝酸盐对人类健康和生活多方面的重要性，利用CoFe QDs固有的类POD活性开展了系列检测方法开发。将 CoFe QDs 与葡萄糖氧化酶结合开发比色葡萄糖检测系统，其在过氧化氢存在下催化氧化 TMB 引发颜色变化，可利用 450 nm 处的吸光度检测葡萄糖。进一步基于 GSH 对 CoFe QDs 催化氧化 TMB 的抑制作用建立 GSH 检测方法。基于 CoFe QDs 催化氧化 TMB 和 NO₂⁻ 诱导的重氮化反应构建了 NO₂⁻ 比色比率检测体系，该体系具有良好的线性范围和稳定性。在此基础上，开发智能手机辅助比色检测平台，通过颜色和灰度图像分析实现对检测底物定量，具有线性相关性强、检测限低等特点。目视观察与智能手机辅助分析结合可简单精确检测多种生物标志物，提高检测速度、降低操作复杂度并减少对高精度设备依赖。

图1. 对CoFe LDHs和CoFe LDHs-VO类POD活性的DFT研究。

图2. CoFe QDs的结构表征与物理化学性质。

图3. POD活性表征。

图4. 基于类过氧化物酶活性的 CoFe QDs 纳米酶进行葡萄糖、谷胱甘肽（GSH）和亚硝酸盐（NO₂⁻）检测。

结论

总之，本研究通过缺陷工程显著提升了CoFe LDHs纳米材料的催化活性，凸显了氧空位在调控催化微环境和优化纳米酶活性方面的关键作用。DFT计算揭示了氧空位调节 CoFe LDHs 纳米材料电子结构和反应能垒的机制。实验进一步证实了富含氧空位的量子点材料在类POD催化反应中的优异性能。基于该材料构建的比色检测平台能够高灵敏度地检测葡萄糖、谷胱甘肽和亚硝酸盐，并可借助智能手机进行现场分析，为多重生物标志物检测提供了一种经济高效的解决方案。这些研究成果不仅推动了层状双氢氧化物（LDHs）纳米材料在生物传感和个性化医疗领域的应用，也为提高纳米材料的催化性能提供了可行策略和理论依据。

来源：小郑讲科学