摘要：纳米酶由于高活性、稳定性以及活性易修饰等特点，成为天然酶的理想替代物。人体内L-半胱氨酸（L-Cys）浓度异常可能会导致一些潜在疾病。与传统氨基酸的检测方法相比，生物荧光传感技术具有选择性高、检测方便、快速等优点，因此选择合适的荧光传感体系，实现对于L-Cys
*今日头条上无法显示上标、下标，欲获得更好的阅读体验请前往微信公众号。
*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2025年05月21日 广东。
*编辑：张祖豪
研究背景
纳米酶由于高活性、稳定性以及活性易修饰等特点，成为天然酶的理想替代物。人体内L-半胱氨酸（L-Cys）浓度异常可能会导致一些潜在疾病。与传统氨基酸的检测方法相比，生物荧光传感技术具有选择性高、检测方便、快速等优点，因此选择合适的荧光传感体系，实现对于L-Cys的高效选择性分析检测至关重要。
研究内容
东北大学张霞教授课题组将氯化血红素（Hemin）负载到发光金属有机框架NH2-UiO-66，成功制备具有荧光特性以及类过氧化物酶活性的Hemin@NH2-UiO-66。FT-IR谱（图1a）显示，Hemin@NH2-UiO-66在400-800 cm-1归属O-Zr-O键的IR吸收峰的相对强度增大，证明Hemin与金属离子之间以Zr-O键相连。N2吸附-脱附曲线（图1b，1c）显示均为Ⅰ型Langmuir等温线，表明了其微孔结构。
图1（a）Hemin, NH2-UiO-66, Hemin@NH2-UiO-66的FT-IR光谱；NH2-UiO-66（b）和Hemin@NH2-UiO-66（c）的氮气吸附-脱附曲线和孔径分布曲线
对NH2-UiO-66，Hemin@NH2-UiO-66 XPS分析（图2）表明，Zr-O键的比例从41.45% （NH2-UiO-66）增加到45.46% （Hemin@NH2-UiO-66），进一步表明Hemin通过Zr-O键与NH2-UiO-66配位，与FT-IR结果一致。并且从图2也看出在709.8和722.6 eV处的两个峰分别归属于Fe（Ⅲ）2p3/2和2p1/2，表明氯化血红素成功负载。
图2 NH2-UiO-66中C 1s（a）、N 1s（b）、O 1s（c）和Zr 3d（d）的高分辨XPS谱图；Hemin@NH2-UiO-66中C 1s（e）、N 1s（f）、O 1s（g）、Zr 3d（h）和Fe 2p（i）的高分辨率XPS谱图
Hemin@NH2-UiO-66的荧光光谱如图，在波长458 nm处的特征发射峰归因于有机配体NH2-BDC产生。将Hemin@NH2-UiO-66、OPD和H2O2构筑混合体系，由于Hemin@NH2-UiO-66具有类过氧化物酶活性，催化H2O2分解产生·OH，从而氧化OPD生成DAP，生成的DAP在564 nm出现新的发射峰。对于Hemin@NH2-UiO-66/H2O2/OPD混合体系，其光致荧光光谱如图3b所示。在458 nm和564 nm出现双发射峰，且458 nm的发射峰强度降低，这是由于内滤效应。为了证明Hemin@NH2-UiO-66的类过氧化物酶活性，分别测定了NH2-UiO-66/H2O2/OPD、游离Hemin/H2O2/OPD以及H2O2/OPD三种体系的光致发光光谱，对比说明458 nm发射峰源于NH2-UiO-66，而564 nm处的峰源于DAP。同时测定了UV-Vis吸收光谱。只有Hemin@NH2-UiO-66/H2O2/OPD体系可以清晰观察到吸收峰，其归属于OPD的氧化产物DAP的紫外吸收。基于上述实验结果，Hemin组分对于Hemin@NH2-UiO-66催化分解H2O2发挥重要作用。在样品合成过程中添加不同质量分数的Hemin对于Hemin@NH2-UiO-66复合材料性能的影响结果，优化选择Hemin质量分数为50 wt%进行后续试验。
图3（a）Hemin@NH2-UiO-66的荧光光谱；（b）Hemin@NH2-UiO-66/H2O2/OPD的荧光光谱；（c）四种控制体系的光致发光光谱；（d）四种控制体系的紫外-可见吸收光谱；（e）氯化血红素负载量对DAP发射强度的影响；（f）DAP发射强度与催化时间的关系
对于所构建的Hemin@NH2-UiO-66/H2O2/OPD双发射荧光体系，分别改变体系的条件变量，包括H2O2的浓度、邻苯二胺的浓度、催化反应时间、溶液的pH值等条件（图4）。最终选定了H2O2浓度为7 mol/L，邻苯二胺浓度为0.18 mmol/L，催化反应时间为30 min，pH控制在5-6范围内进行催化实验。
图4 条件参数对I452/I564强度比的影响（a）H2O2浓度；（b）OPD浓度；（c）催化反应时间；（d）pH值，另一个条件是Hemin@NH2-UiO-66为0.1 mg/mL
最后向Hemin@NH2-UiO-66/H2O2/OPD双发射荧光体系添加不同浓度的L-Cys，探究了L-Cys对于体系的双发射峰强度的影响。如图5a所示，随着L-Cys浓度的增加，在452 nm处的荧光发射峰强度缓慢增加，564 nm处的荧光发射峰的强度明显下降。图5b绘制了452 nm和564 nm的荧光峰强度随浓度的变化曲线。选择452 nm处的发射峰的强度作为参考信号，以564 nm处的发射峰强度为响应信号，改变体系中L-Cys的浓度，计算双发射峰的强度比值（I452/I564）, 与L-Cys的浓度变化关系如图5c所示。在浓度为1 μmol/L-1 mmol/L范围内，随着L-Cys浓度的增加，荧光峰的比值（I452/I564）逐渐增大，且I452/I564比值与L-Cys的浓度呈线性关系。方程的线性相关系数R2=0.998，检测限为0.21 μM。
最后，实验探究了双发射荧光体系对L-Cys的检测机制，得到了Hemin@NH2-UiO-66/H2O2/OPD/Cys双发射荧光体系的紫外吸收光谱。从图5d可以看出，对于Hemin@NH2-UiO-66/H2O2/Cys，在350-600 nm范围内没有紫外吸收峰的出现，当向其加入OPD时，在450 nm处出现DAP的吸收峰，与Hemin@NH2-UiO-66/H2O2/OPD体系进行对比，OPD紫外吸收峰强度明显下降。因此，可以说明在Cys存在下，与OPD的氧化反应竞争消耗·OH自由基，使得DAP的含量降低，荧光发射峰强度降低。
图5（a，b）加入不同浓度的L-Cys的发射光谱；（c）I452/I564与L-Cys浓度的直线关系；（d）紫外-可见吸收光谱
总结
总之，在该工作中，通过将氯化血红素负载到Zr-MOF后，将过氧化物酶模拟活性和光致发光性进行了很好的结合。在H2O2存在下，Hemin@NH2-UiO-66催化OPD氧化生成DAP，在564 nm处产生新的荧光发射峰。在此基础上，结合452 nm的本征发射，建立了双发射系统。通过改变底物浓度和类过氧化物酶催化时间等参数，优化了双发射体系，并利用荧光猝灭效应对L-Cys进行比率荧光传感。该工作为基于纳米酶和功能性发光MOFs的光致发光性能的比率荧光传感平台的设计提供了新的思路。
该工作以“Dual Functions of Fluorescence and Peroxidase Mimics for Hemin@NH2‑UiO-66 and Ratiometric Fluorescence Sensing to L‑Cysteine”为题目发表于Inorganic Chemistry。论文第一作者为东北大学理学院柴进，通讯作者为东北大学张霞教授。
来源：科学宣言