李根喜/杨洁等人Anal. Chem.：金属修饰COF纳米粒子用于级联催化生物传感

研究内容

具有明确孔结构的均匀共价有机框架纳米颗粒(COF NPs)可以为支架酶提供强大的平台。

南京大学李根喜、杨洁和南京医科大学Yetao Xu通过席夫碱缩合反应成功制备了联吡啶基球形COF NPs。通过金属改性进行功能化，并进一步用于生物传感。实验结果表明，金属修饰的COF NPs表现出令人印象深刻的过氧化物酶样催化活性，同时它们可以负载葡萄糖氧化酶(GOx)和肌氨酸氧化酶(Sox)等酶，开发出一种级联催化系统，用于设计各种性能良好的生物传感器。例如，优化的GOx@Fe-COFs可以实现对葡萄糖的灵敏检测，检测限(LOD)为12.8 μM。这些酶在环境条件下14天内也表现出80%的酶活性。相关工作以“ Preparation of Well-Constructed and Metal-Modified Covalent Organic Framework Nanoparticles for Biosensing Design with Cascade Catalytic Capability ”为题发表在国际著名期刊 Analytical Chemistry 上。

研究要点

要点1. 作者首先制备了构建良好的COF NPs，提出了一种用于COF功能化的金属后修饰策略，该策略进一步用于设计用于制造生物传感器的级联催化系统。具体而言，作者选择2，2′-联吡啶-5，5′二甲醛和1，3，5-三(4-氨基苯基)苯，通过仔细选择配体，合成具有大量联吡啶基团的球形COFs。同时，通过修饰COF NPs上的Cu 2+ 和Fe 3+ ，利用丰富的联吡啶基团与金属离子配位。

要点2. 作者进一步研究了不同修饰对其形态和酶活性的影响，实验结果表明，Cu-COFs和Fe-COFs都具有过氧化物酶活性。随后以葡萄糖氧化酶(GOx)为例设计酶级联系统，GOx@Fe-COFs，可以保留酶的催化活性并保持增强的稳定性。一方面，稳定的多孔材料可以作为天然酶保护剂的良好候选者。另一方面，将基于COF的纳米酶的催化活性与天然酶相协调，构建级联催化体系，将促进COF在生物医学领域的应用。

要点3. 作者制备了一种用于葡萄糖检测的性能良好的生物传感器。优化的GOx@Fe-COFs可以实现对葡萄糖的灵敏检测，检测限(LOD)为12.8 μM。这些酶在环境条件下14天内也表现出80%的酶活性。此外，还通过用肌氨酸氧化酶(Sox)代替GOx来检验所提出的系统的适应性，并成功地实现了肌氨酸的令人满意的检测。该生物传感器通过天然酶和COF纳米酶的固有优势的创新组合，实现了代谢分子的高效一步检测。

该工作可能为利用化学催化剂和生物催化剂之间的协同作用探索更多的级联催化系统铺平一条有希望的道路。

研究图文

图1.（a）Cu 2+ 和Fe 3+ 改性的COFs的示意图。（b）COFs、（c）Cu-COFs和（d）Fe-COFs的SEM。（e）COFs、（f）Cu-COFs和（g）Fe-COFs的过氧化物酶活性的比较。

图2.（a）GOx@Fe-COFs的示意图。（b）GOx@Fe-COFs的元素映射图像。（c）COFs、Fe-COFs和GOx@Fe-COFs的FT-IR。（d）COFs、Fe-COFs和GOx@Fe-COFs的TGA曲线。

图3.（a）基于GOx@Fe-COFs的级联反应。（b）葡萄糖+TMB、GOx@Fe-COFs+TMB、GOx@Fe-COFs+葡萄糖以及GOx@Fe-COFs+葡萄糖+TMB的紫外-可见吸收光谱。（c）不同浓度GOx的负载活性比较。

图4.（a）不同浓度葡萄糖的比色比较。（b）0.05至5 μM不同浓度葡萄糖的紫外-可见吸收光谱。（c）不同浓度葡萄糖在450 nm处的吸光度。插图：葡萄糖检测的线性范围。

图5. GOx@Fe-COFs的选择性，0.5 mM葡萄糖，0.5 mM半乳糖、0.5 mM果糖、0.5 mM麦芽糖、0.5 mM乳糖和0.5 mM蔗糖。

文献详情

Preparation of Well-Constructed and Metal-Modified Covalent Organic Framework Nanoparticles for Biosensing Design with Cascade Catalytic Capability

Tianci Zhou, Ying Deng, Xinyu Qu, Lin Wang, Haojie Xie, Yetao Xu,* Lizhou Sun, Jie Yang,* Genxi Li*

Anal. Chem.

DOI: https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c03954