六边形板状的Co(OH)?纳米酶，用于检测多种目标物质

《Materials Today Chemistry》：Hexagon plate-shaped Co(OH) 2 nanozyme for the detection of multiple targets

纳米酶、Co(OH)?、过氧化氢酶-like活性、H?O?检测、葡萄糖检测、抗坏血酸检测、水热法、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外-可见光谱分析

　　纳米酶因其可定制的设计、简便的制备方法、良好的稳定性以及较高的催化活性，已在传感领域得到了广泛应用。在本研究中，科学家们成功制备了一种具有过氧化物酶类似活性的六边形板状钴（II）氢氧化物（Co(OH)?）纳米酶，并将其应用于氢过氧化物（H?O?）、葡萄糖和抗坏血酸（AA）的检测。该纳米酶通过简单的水热反应法在200℃下反应6小时，以硝酸钴和氢氧化钠为原料制备而成。六边形板状结构的Co(OH)?纳米酶表现出独特的催化特性，其过氧化物酶类似活性源于其与H?O?共存时产生的羟基自由基（•OH），这些自由基能够氧化无色的3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB），使其转变为蓝色产物（oxTMB），从而导致吸光度的增加。基于这一吸光度变化，研究人员建立了用于H?O?、葡萄糖和AA的检测方法，其检测限分别为29 μM、35 μM和13 μM。

### 1. 纳米酶的背景与优势

酶是生物化学反应中不可或缺的催化剂，可以分为天然酶和合成酶。天然酶通常具有较高的催化效率，但其制备过程复杂，稳定性差，成本高，且容易受到环境因素的影响。相比之下，纳米酶作为一种新型的酶模拟物，具备诸多优势。自2007年Yan等人首次报道Fe?O?纳米颗粒具有类似于过氧化物酶（HRP）的催化活性以来，纳米酶的研究取得了显著进展。不同类型的纳米酶，如贵金属纳米颗粒（如金和银簇）、金属氧化物纳米颗粒（如CeO?、TiO?、MnO?等）以及基于MOF（金属有机框架）的纳米酶，已经被广泛研究，并在生物传感、疾病治疗等领域展现出广阔的应用前景。此外，有机纳米酶或混合纳米酶也被探索用于提升催化性能和扩展应用场景，为纳米酶的发展提供了更多可能性。

钴基纳米酶因其独特的催化活性和稳定性，受到了科研界的广泛关注。例如，Co?O?纳米材料表现出显著的过氧化物酶类似活性，其催化性能与形态密切相关。在H?O?存在的情况下，不同形态的Co?O?纳米材料能够生成羟基自由基，并氧化TMB，使其从无色变为蓝色/绿色，从而导致吸光度的显著增加。同时，谷胱甘肽（GSH）、葡萄糖和酸性磷酸酶等物质可以抑制TMB的氧化反应，因此可以通过颜色变化或吸光度的变化来定量这些物质的含量。为了进一步提升Co?O?纳米材料的稳定性和生物相容性，研究人员通过引入不同的官能团（如-NH?、-OH等）或使用多巴胺进行修饰，成功提高了H?O?和硫离子的检测灵敏度。此外，由Co?O?与其他材料（如CuO、碳点或金纳米簇）组成的复合纳米酶，能够提供双重信号读取方式，用于检测多巴胺、H?O?、葡萄糖以及氟苯尼考和氟苯尼考胺等目标物。

除了Co?O?及其复合物，Co?N纳米线和基于钴的有机框架（如ZIF-67）也已被开发用于检测葡萄糖和L-半胱氨酸，并展现出良好的灵敏度和可靠性。尽管钴基纳米酶在多种检测应用中表现出色，但目前大多数研究仍集中于Co?O?及其相关复合物。因此，开发新的钴基纳米酶具有重要意义，以提供更多选择和可能性，用于H?O?、葡萄糖等目标物的检测。

### 2. 实验材料与方法

本研究使用的实验材料包括硝酸钴、氢氧化钠、氢过氧化物、抗坏血酸、对苯二甲酸、溴化钾等，均购自天津大茂化学试剂厂。此外，无水乙醇、醋酸和氢氧化钠也来自天津永达化学试剂有限公司，而其他试剂如葡萄糖、葡萄糖氧化酶（Gox）、TMB等则购自上海源叶生物科技有限公司。所有试剂均为分析纯。实验中使用的去离子水由本实验室自行制备。为了验证纳米酶在实际样品中的应用效果，研究人员还获取了实际样品，如3%的医用过氧化氢、无糖可乐、维C饮料（ShuRong C）和50%的葡萄糖注射液。

在材料表征方面，研究人员使用了多种仪器进行分析。包括透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）。XRD分析用于确定材料的晶体结构。此外，紫外-可见吸收光谱（UV–Vis）和荧光光谱分析（F-200荧光分光光度计）也被用于研究纳米酶的光学性质。这些方法共同用于分析Co(OH)?纳米酶的组成、结构、形态和尺寸分布，为后续的催化性能研究奠定了基础。

### 3. Co(OH)?纳米酶的表征与催化机制

Co(OH)?纳米酶的表征结果显示，其具有六边形板状结构，表面光滑，尺寸分布均匀。通过SEM和TEM图像，研究人员确认了该材料的六边形板状结构，并测量了其平均尺寸为99.94 ± 25.93纳米。AFM测试进一步验证了其厚度为约3.4–3.9纳米，进一步支持了其板状形态。XRD分析表明，该材料的晶格面与标准PDF卡片（#30–0443）一致，确认其为Co(OH)?。FT-IR光谱显示，材料在3400–3600 cm?1范围内的峰对应于O–H伸缩振动，而在1616 cm?1处的峰则对应于O–H弯曲振动，同时Co–OH的伸缩振动出现在500–700 cm?1范围内。

为了验证Co(OH)?纳米酶的过氧化物酶类似活性，研究人员采用了一系列对照实验。在没有Co(OH)?的情况下，TMB的吸光度几乎为零；而在Co(OH)?存在的情况下，TMB被氧化为oxTMB，吸光度显著增加。这一结果表明，Co(OH)?纳米酶确实能够催化H?O?的分解，生成羟基自由基，从而氧化TMB。此外，研究人员还通过对苯二甲酸（TPA）荧光探针方法进一步验证了催化机制。TPA本身不具有荧光特性，但在羟基自由基的作用下被氧化为具有强烈荧光的2-羟基对苯二甲酸（2-HTPA），其最大荧光发射波长为450 nm。实验中，随着Co(OH)?浓度的增加，TPA的荧光信号强度也逐渐增强，表明系统中羟基自由基的生成与Co(OH)?的催化能力密切相关。这为Co(OH)?纳米酶的催化机制提供了直接证据。

### 4. Co(OH)?纳米酶在检测中的应用

基于Co(OH)?纳米酶的过氧化物酶类似活性，研究人员成功构建了用于H?O?、葡萄糖和AA的检测方法。在H?O?检测中，当H?O?浓度增加时，TMB的氧化产物oxTMB的吸光度也随之增加，这使得H?O?的检测成为可能。通过建立一系列不同浓度的H?O?标准溶液，研究人员绘制了吸光度与浓度之间的线性关系曲线，并获得了较高的线性相关系数（R2 = 0.992），检测限为0.029 mM。在实际样品测试中，通过稀释3%的医用过氧化氢溶液，并采用相同的检测方法，研究人员验证了该方法在实际样品中的可行性。

在葡萄糖检测中，研究人员利用葡萄糖氧化酶（Gox）催化葡萄糖氧化生成H?O?，从而通过Co(OH)?纳米酶的催化作用进一步氧化TMB。当葡萄糖浓度从0.050 mM增加到1.500 mM时，TMB的氧化产物oxTMB的吸光度也随之增加，表明葡萄糖浓度与H?O?生成量之间存在正相关关系。通过建立标准曲线，研究人员确定了该检测方法的线性范围为0.050–1.500 mM，线性相关系数为0.992，检测限为0.035 mM。此外，通过测试无糖可乐样品，并采用加标回收实验，研究人员进一步验证了该方法在实际样品中的适用性。

在抗坏血酸（AA）的检测中，AA能够部分抑制羟基自由基对TMB的氧化作用，从而导致oxTMB的吸光度降低。通过构建标准曲线，研究人员发现AA的浓度在0.100–1.500 mM范围内与吸光度之间存在良好的线性关系，线性相关系数为0.993，检测限为0.013 mM。在实际样品测试中，研究人员对维C饮料进行了检测，结果表明其检测到的AA浓度为1.18 ± 0.073 mM，与营养标签上标注的1.27 mM无显著差异，进一步证明了该方法在实际样品中的可行性。

### 5. 实际样品测试与方法的可靠性

为了验证Co(OH)?纳米酶在实际样品中的应用效果，研究人员对多种样品进行了测试。其中包括3%的医用过氧化氢、无糖可乐、维C饮料和50%的葡萄糖注射液。在测试医用过氧化氢样品时，研究人员通过稀释1000倍后进行检测，并进行了三次平行实验，结果表明检测到的H?O?浓度与标准值无显著差异。在葡萄糖注射液的测试中，研究人员对50%的葡萄糖注射液进行了稀释，并检测了其浓度，结果同样显示与标准值无显著差异。对于维C饮料的检测，研究人员通过简单的过滤预处理后进行测试，结果表明AA的检测值与标签上的数值一致，进一步验证了该方法在实际样品中的适用性。

此外，研究人员还对无糖可乐样品进行了加标回收实验，以评估检测方法的准确性和重复性。实验结果显示，回收率在99.5%至103.2%之间，相对标准偏差（RSD）在1.2%至2.8%之间，表明该方法具有良好的准确性和可重复性。这些结果不仅验证了Co(OH)?纳米酶在实际样品中的检测能力，还展示了其在实际应用中的可靠性。

### 6. 结论与展望

综上所述，本研究成功制备了一种六边形板状的Co(OH)?纳米酶，并将其应用于H?O?、葡萄糖和AA的检测。Co(OH)?纳米酶的过氧化物酶类似活性源于其与H?O?共存时生成的羟基自由基，能够有效氧化TMB，导致吸光度的显著变化。基于这一特性，研究人员建立了用于检测这三种目标物的方法，并通过实际样品测试验证了其应用潜力。所有检测方法均表现出良好的线性关系和较低的检测限，说明该纳米酶具有较高的灵敏度和选择性。

尽管Co(OH)?纳米酶在某些研究中被用于硝基化合物还原和臭氧分解等反应，但本研究重点探讨了其在过氧化物酶类似活性方面的应用，为纳米酶在生物传感领域的进一步发展提供了新的思路。六边形板状结构的Co(OH)?纳米酶不仅在实验室条件下表现出优异的催化性能，而且在实际样品中也展现出良好的检测效果。这表明该纳米酶具有广阔的应用前景，特别是在医疗检测、食品检测和环境监测等领域。

未来，研究人员可以进一步优化Co(OH)?纳米酶的合成条件，以提高其催化活性和稳定性。同时，可以探索其在其他生物分子检测中的应用，如生物标志物、重金属离子和药物分子等。此外，结合其他传感技术（如电化学传感器、电化学发光传感器等），可以进一步拓展其在生物传感中的应用范围。通过这些研究，Co(OH)?纳米酶有望成为一种高效、稳定的纳米酶，为生物传感和环境监测提供新的解决方案。