《Talanta》：A static/dynamic dual-strategy for synergistically enhanced POM@Polypyrrole nanozymes in oxidase-like sensing
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納米酶催化性能提升研究：通過聚吡咯封裝實現電子轉移優化，結合超聲處理增強物質傳輸，構建高靈敏度谷胱甘肽檢測傳感器。
寧生|趙青輝|王建強|姚旭|李博遠|曾賢陽|孫靜文|沙靜泉
中國山東省曲阜市濟寧大學化學、化學工程與材料學院，273155
摘要
開發高性能類氧化酶納米酶對于推動生物催化和生物傳感技術的發展至關重要。多金屬氧酸鹽（POMs）是很有前景的候選材料，但存在溶解度較高和界面電子轉移效率低的問題。傳統的固定化方法往往忽視了基質在催化過程中的作用。本文通過將單-V取代的磷鉬酸H5[PMo11VO40]（PMo11V1）原位氧化聚合到導電聚吡咯（PPy）基質中，開發出了一種雙策略增強的納米酶。最優復合體系PMo11V1@PPy-2的類氧化酶活性比傳統固定化體系高出2.2倍。超聲處理（100 kHz）通過改善質量傳遞進一步提高了其活性約80%。利用這種協同效應，構建了一種高靈敏度的谷胱甘肽（GSH）比色生物傳感器，實現了低檢測限（0.73 μM）、寬線性范圍（1-80 μM）、在血清中的優異回收率（99.4%至100.6%）和高選擇性。這項工作表明，將靜態材料設計與動態過程工程合理結合可以克服異相納米酶催化中的根本限制，為開發用于生物醫學應用的高性能酶模擬物提供了一種通用策略。
引言
人工納米酶的研究已成為材料科學與生物學交叉領域的一個活躍前沿，其發展受到尋找天然酶的穩健、經濟替代品的驅動[[1], [2], [3]]。其中，類氧化酶能夠利用分子氧催化底物的氧化，在生物傳感[4,5]、抗菌應用[6]和環境監測[7,8]方面具有特殊潛力。雖然貴金屬和金屬氧化物等納米材料在該領域占據主導地位[9]，但多金屬氧酸鹽（POMs）——一類具有優異氧化還原能力和多功能酶模擬特性的明確分子金屬氧化物簇——正迅速成為一類有前景但尚未充分探索的納米酶[10,11]。特別是Keggin型POMs作為模擬天然氧化還原酶催化功能的優秀無機模型[12,13]。金屬取代的Keggin型POMs（PMo12-xMx，X = 1, 2, 3 …., M = Co, Fe, Ni, Zn, Mn, V）通常能提高催化性能，因為金屬取代可以引入額外的活性位點并調節電子結構，從而增強催化效果[14,15]。然而，POM基納米酶的實際應用受到其在水介質中高溶解度的限制[16]。傳統的克服方法是使用季銨鹽（QA）等大體積陽離子進行沉淀[17]。盡管這種方法對固定化有效，但QA-POM的電子導電性差，限制了質量傳遞——這是酶催化的兩個關鍵過程，從而限制了其整體催化效率。因此，一個核心挑戰在于設計一種固態POM復合材料，既能有效解決溶解性問題，又能同時增強界面催化動力學（見圖1）。
為了解決POM基納米酶的溶解度和催化動力學雙重挑戰，我們提出了一種綜合工程策略，同時優化內在材料性質和外在反應條件。導電聚合物如聚吡咯（PPy）由于其擴展的π共軛骨架，能夠促進催化過程中的快速界面電子傳輸[[18], [19], [20], [21]]，因此是一個有前景的解決方案。我們假設將POMs原位封裝在PPy基質中不僅可以固定分子簇，還能形成一個協同催化系統，其中聚合物作為電子轉移介質，增強POM的內在氧化還原活性。為進一步克服即使存在最佳導電框架時也可能限制反應速率的外在質量傳遞限制，我們引入了超聲處理作為動態增強策略。超聲能誘導聲流和空化作用，顯著改善局部質量傳遞并增強底物對活性位點的接觸[22,23]。我們推測，靜態PPy介導的電子轉移與動態超聲促進的質量傳遞的結合可以協同激活納米酶，從而顯著提高催化性能。
本文報道了通過導電聚合物雜化和超聲刺激的協同作用，合理設計并提升了基于H5[PMo11VO40]（PMo11V1）的納米酶的類氧化酶性能。為明確術語，我們定義了本工作中使用的關鍵術語：“靜態增強”指的是促進電子傳遞的導電聚吡咯（PPy）基質，充當“電子高速公路”；“動態增強”表示使用超聲來改善質量傳遞；兩者共同構成了提升納米酶性能的“雙策略”方法。合成了一系列具有可控PPy含量的PMo11V1@PPy復合材料，并進行了系統評估。最優復合體系PMo11V1@PPy-2（含14.5% PPy）的類氧化酶活性明顯高于傳統QA固定化體系。此外，在最佳超聲頻率（100 kHz）下，其活性進一步提高了約80%，證明了靜態電子轉移介導和動態質量傳遞促進之間的強大協同效應。通過穩態動力學和活性氧種檢測研究了催化機制。最后，利用這種雙重增強的納米酶，我們構建了一種高靈敏度和選擇性的谷胱甘肽（GSH）比色生物傳感器，展示了其在生物醫學診斷中的潛力。
材料
所有化學品均為分析級，并按接收狀態使用。所有實驗過程中僅使用去離子水。谷胱甘肽（GSH）、甘氨酸（Gly）、酪氨酸（Tyr）、組氨酸（His）、半胱氨酸（Cys）、丙氨酸（Ala）和尿酸（UA）購自上海阿拉丁化學試劑有限公司。3,3′,5,5′-四甲基聯苯胺（TMB）、異丙醇（IPA）、1,4-苯醌（BQ）購自國藥化學試劑有限公司。DMEM培養基、胎牛血清等試劑也來自相關公司。
表征
為了確認PMo11V1@PPy-x（x = 1, 2, 3）復合材料的組成，進行了傅里葉變換紅外（FTIR）光譜、拉曼光譜和粉末X射線衍射（PXRD）分析。在FTIR光譜（圖S1）中，TBA-PMo11V1前體在1064 cm?1（P–O伸縮）、959 cm?1（Mo/V=Ot）、865 cm?1（Mo/V-Ob-Mo/V）和771 cm?1（Mo/V-Oc-Mo/V）處顯示出四個特征峰，證實了Keggin型PMo11V1的成功合成[24]。封裝在PPy后，這些
結論
本系統證明了導電PPy封裝優于傳統POM固定化的優勢，并揭示了頻率依賴的超聲增強效應。通過協同雙策略優化，最優的PMo11V1@PPy-2復合體的活性比TBA-PMo11V1高出3.96倍。這種增強效應源于PPy促進的電子轉移以及超聲誘導的氧空位形成和質量傳遞的改善。
CRediT作者貢獻聲明
寧生：撰寫初稿，數據整理。趙青輝：方法學設計，實驗研究。王建強：軟件開發，資源準備。姚旭：數據可視化，概念構思。李博遠：數據驗證，軟件應用。曾賢陽：數據驗證，數據整理。孫靜文：撰寫初稿，資源提供，形式分析。沙靜泉：撰寫審稿與編輯，撰寫初稿，資金申請。
資助
部分資金支持來自：齊齊哈爾市重點科學技術項目（編號LHYD-2021010）；黑龍江省北方醫學與功能性食品特色項目（編號HLJTSXK-2022-03）；佳木斯大學“東季”學術團隊（編號DJXSTD202414）；黑龍江省“雙一流”學科協同創新項目（編號LJGXCG2024-P36）；黃河流域綠色發展試點項目（編號2024HH04）。
利益沖突聲明
作者聲明沒有利益沖突。
