木质素磺酸盐负载的CeO?/Co?O?纳米复合材料兼具双重酶活性，可用于儿茶酚的比色检测以及智能手机辅助的视觉比率分析

本研究通过钠木素磺酸盐负载CeO2/Co3O4异质结构制备纳米酶，具有显著的双酶活性（过氧化物酶/氧化酶），用于高灵敏度（检测限10nM）、抗干扰的色imetric检测，并结合ImageJ软件开发了手机辅助便携式定量检测系统。

　　

鲍阿琳|曹波|张瑞哲|丁亚楠|周海峰|李桂江|范高超|刘庆云

山东科技大学化学与生物工程学院，中国青岛266590

摘要

儿茶酚对环境和健康构成重大风险，比色传感是检测儿茶酚的有效方法。在比色传感中，构建具有增强活性的纳米酶是必要的。在本研究中，我们制备了以木质素磺酸钠（SL）为载体的CeO₂/Co₃O₄异质结（SL/CeO₂/Co₃O₄）。与CeO₂/Co₃O₄相比，SL/CeO₂/Co₃O₄的催化性能得到了显著提升。纳米酶活性的提高归因于其较大的比表面积和更多的活性位点，这使得催化剂在吸附和活化反应物方面更加有效。此外，SL引入的氧空位以及低温煅烧产生的含硫/碳基团也对活性的增强起到了协同作用。令人惊讶的是，SL/CeO₂/Co₂/Co₃O₄表现出双重酶活性（过氧化物酶/氧化酶）。机制研究表明，氧化酶活性来源于氧空位和O₂^•-，而过氧化物酶活性则来源于H₂O₂催化过程中生成的¹O₂和O₂^•-。利用这种优异的过氧化物酶活性，我们开发了一种比色检测平台，该平台在0.05–1.0?μM的范围内表现出高选择性、强的抗干扰能力以及良好的线性关系，检测限低至10?nM。此外，还使用Image J软件设计了一种智能手机辅助的可视化比率生物传感器，实现了水样中儿茶酚的便携式定量检测。这项研究不仅开发了一种具有高催化活性的新型木质素基纳米酶，还建立了一种基于智能手机的比率比色传感器，为危险物质的检测提供了有前景的解决方案。

引言

儿茶酚是一种广泛用于制药、染料和农药的酚类化合物，通过工业废水排放容易进入水体。由于其高毒性、抗降解性以及可能导致癌症、肝损伤和神经系统疾病的潜力[[1], [2], [3], [4]]，检测儿茶酚残留物对环境和健康具有重要意义。基于即时检测（POCT）的传感技术因其便携性、操作简便和方便性而受到关注。速度是这类方法的关键要求。然而，传统的检测方法（如高效液相色谱（HPLC）、液相色谱-质谱（LC-MS）、电化学传感器和荧光光谱[[5], [6], [7], [8]]）由于依赖昂贵的仪器、专业操作和实验室环境，不适合快速现场检测。在这种情况下，具有高催化活性的纳米酶为快速检测水中的儿茶酚残留物提供了有前景的途径。

纳米酶是一种具有独特纳米材料特性和酶功能的纳米生物材料[9]。自从Yan及其同事首次报道Fe₃O₄纳米酶以来，研究人员探索了各种类型的纳米酶，包括金属有机框架[10]、贵金属[11]、碳纳米材料[12]和纳米氧化物[13]、硫化物[14]。基于单一纳米材料的纳米酶通常活性较低，提高纳米酶活性是研究重点[[15], [16], [17]]。构建异质结构是通过调节活性氧物种生成来提高纳米酶性能的有效策略[18,19]。然而，纳米酶材料容易聚集，导致纳米材料表面的活性位点减少，因此还需要关注改善分散性和增加活性位点。

木质素是一种可再生、环保且能源丰富的物质[20]，其复杂的交联结构包含羟基、羰基、羧基和甲氧基等官能团，这些官能团显著影响木质素的反应特性和化学性质[21]。为了提高其在水中的溶解度，木质素通常以木质素磺酸盐的形式进行处理。例如，Xu等人使用木质素磺酸钠作为碳前驱体合成了掺钾的碳点纳米酶，通过提供有效的活性位点增强了类似酶的活性[22]。类似地，Li等人通过将氨基化木质素与铜配位制备了掺铜的氨基化木质素漆酶纳米酶[23]，其中木质素作为铜颗粒的载体，赋予了其强的漆酶活性。因此，木质素磺酸钠可以用作分散纳米酶材料的有效载体，以获得预期的活性。

在这里，我们制备了以木质素磺酸钠（SL）为载体的CeO₂/Co₃O₄异质结纳米酶（SL/CeO₂/Co₃O₄），该纳米酶具有显著的双重酶活性（氧化酶和过氧化物酶），能够快速将3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）氧化为ox-TMB。SL的引入在增强CeO₂/Co₃O₄的酶活性方面发挥了关键作用，这得益于增加了的活性位点和有效的电子转移。机制研究表明，SL/CeO₂/Co₃O₄的高催化活性来源于催化反应过程中产生的超氧阴离子（O₂^•-）和单线态氧（¹O₂）。基于SL/CeO₂/Co₃O₄的过氧化物酶模拟活性及其与显色底物TMB的特异性相互作用，我们提出了一种比色传感平台，该平台具有高灵敏度、优异的选择性和强的抗干扰能力。此外，还使用ImageJ软件设计了一种智能手机辅助的可视化比率传感系统，实现了水样中儿茶酚的便携式定量检测。

化学物质

相关化学物质的详细信息见支持材料。

仪器

相关表征仪器的详细信息见支持材料。

SL/CeO₂/Co₃O₄的制备

木质素磺酸钠载体的CeO₂/Co₃O₄异质结（SL/CeO₂/Co₃O₄）是通过沉淀法制备的。首先，将500?mg的SL溶解在500?mL的去离子水中并搅拌。然后，将60?mL的SL水溶液用双去离子水（DDW）稀释至100?mL，并持续搅拌20?分钟以确保混合均匀。随后，加入Na₂CO₃

SL/CeO₂/Co₃O₄的表征

图1A显示了SL/CeO₂/Co₃O₄的X射线衍射（XRD）图谱。Co₃O₄的（220）、（311）、（400）和（511）晶面的特征衍射峰与JCPDs卡片编号42–1467相匹配，而（111）、（200）、（220）、（311）和（331）晶面归属于CeO₂相（JCPDs卡片编号43–1002）。SL/CeO₂/Co₃O₄纳米复合材料的衍射峰半高宽（FWHM）相对较大。原因如下：

结论

总之，通过低温煅烧成功制备了一种具有类似过氧化物酶和氧化酶催化活性的双功能SL/CeO₂/Co₃O₄纳米酶。木质素磺酸钠的引入显著增加了CeO₂/Co₃O₄的比表面积，并暴露了更多的活性位点。此外，低温煅烧保留了含硫和碳的基团，提高了电子转移效率，增强了吸附和活化能力

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢国家自然科学基金（编号：22471146）、山东省自然科学基金（编号：ZR2024MB010）、山东生化分析重点实验室（编号：SKLBA2207）和青岛市自然科学基金（编号：24-4-4-zrjj-95-jch）的财政支持。