第一作者：杨钟炜，张晓宇

通讯作者：于欣，王爱珠，王政

通讯单位：济南大学前沿交叉科学研究院，西安电子科技大学先进材料与纳米技术学院

研究速览

纳米酶因其独特优势，特别是在取代天然酶方面的潜力，受到了广泛关注。作为一种重要的纳米酶，过氧化物（POD）类纳米酶能够模拟天然过氧化物酶的功能，催化H₂O₂分解生成具有强烈活性的羟基自由基（•OH），进而氧化特定底物（如3,3’,5,5’-四甲基联苯胺，TMB），产生明显的比色反应。通过光谱分析这些颜色变化，可以实现快速、灵敏的定量检测，为大规模现场应用提供了一种简便且低成本的解决方案。其中，二维层状双氢氧化物（LDHs）作为一种典型的层状材料，因其可调节的化学成分、尺寸和厚度，成为纳米酶领域的研究热点。除了具备物理化学多样性，LDHs还天然具备POD类催化特性，展现出在比色传感应用中的巨大潜力。然而，基于LDHs的纳米酶催化活性仍有待提高，进一步的催化性能优化成为研究的关键。

在此背景下，缺陷工程在调节催化微环境中扮演了至关重要的角色。通过精确调控缺陷，可以显著提升纳米酶的催化性能。缺陷能够改变活性位点的数量和结构，进而显著增强催化活性。我们前期的研究表明，含有钼（Mo）和硫（S）双空位的MoS₂纳米酶相比于单一空位的纳米酶，表现出了更优异的催化性能。双空位的存在暴露了更多的活性位点，改变了电荷和能量分布，实现了光增强的三种拟酶催化活性（类氧化酶、类过氧化物酶和类过氧化氢酶）协同抗菌（Adv. Mater. 2020, 48, 2005423）。并将其负载在具有压电效应的钛酸钡纳米颗粒表面，实现了压电增强的纳米酶，表现出良好的肿瘤抑制效果。（Angew. Chem. Int. Edit. 2023, 62, e202217448）。通过氮（N）缺陷调控的钨氮化物（WN）纳米酶，利用空位诱导的电子结构调控，增加了活性位点并降低了反应能垒，显著提高了催化活性（ACS Nano 2024, 18, 24469–24483）。

基于这些研究成果，济南大学于欣、王爱珠团队与西安电子科技大学王政团队合作，成功制备了富含氧空位的CoFe层状双氢氧化物量子点（CoFe QDs）纳米酶。通过密度泛函理论（DFT）评估，发现氧空位（V_O）显著提高了CoFe LDH的类过氧化物酶（POD）活性。实验结果也验证了富含氧空位的CoFe QDs具有卓越的POD活性，进一步发展了一种简单且灵敏的多重生物标志物比色检测平台，能够对葡萄糖、谷胱甘肽（GSH）和亚硝酸盐进行高效定量检测。此外，该平台结合智能手机分析技术，能够实现实时、现场检测，提供了一种低成本、高效的解决方案，为个性化医疗和即时诊断提供了新的可能。文章以“Defect-Engineered CoFe Layered Double Hydroxide Quantum Dots: Oxygen Vacancy-Driven Boost in Peroxidase-Mimic Catalysis for Multiplex Biomarker Sensing”为题作为封面发表在了《ACS Materials Letters》上。该项工作得到了国家优秀青年基金、山东省杰出青年基金，山东省泰山学者青年专家项目等的大力支持。

要点分析

要点一：本研究运用密度泛函理论（DFT），评估了空位对钴铁层状双氢氧化物（CoFe LDHs）类过氧化物酶（POD）活性的影响。研究发现，空位会致使 CoFe LDHs-V_O（即含氧空位的钴铁层状双氢氧化物）结构重组以及电子的重新分布，而这些变化进而影响了其分解 H₂O₂的潜在性能。DFT结果表明，在 CoFe LDHs 和 CoFe LDHs-V_O 中，中间体 2OH * 的吸附能均呈现负值，这意味着二者对该中间体的吸附较为稳定。此外，V_O在催化过程中发挥着关键作用，它能够推动催化反应的进行，并在放热反应中促使羟基自由基的产生。值得注意的是，在这两种晶格体系中，由于整个反应过程为放热反应，从能量角度分析，羟基自由基的解吸也能够自发发生。而且，V_O在不同的反应路径中均能有效促进催化反应的开展，提升反应效率。

要点二： 研究围绕CoFe LDHs-V_O量子点（CoFe QDs）的拟POD催化活性展开，以3,3',5,5'- 四甲基联苯胺（TMB）为显色剂测试其催化过氧化氢（H₂O₂）产生羟基自由基（·OH）的活性，CoFe QDs产生的·OH能催化TMB氧化成氧化态TMB（oxTMB），其在652 nm 有最大吸收峰。与Co-OH，Fe-OH，CoFe LDHs相比，CoFe QDs具有最佳的拟POD活性，在较低浓度下仍然具有优异的催化速率。利用电子自旋共振光谱对活性氧的产生进行了验证，发现在H₂O₂存在下产生典型·OH特征峰。进一步探究了不同材料拟POD 活性与 H₂O₂、TMB 浓度关系，通过 Lineweaver - Burk 方程进行稳态动力学分析，结果表明 CoFe QDs 对 H₂O₂和 TMB 均具有优异的亲和力及反应速率。

要点三：鉴于实时检测葡萄糖、谷胱甘肽（GSH）和亚硝酸盐对人类健康和生活多方面的重要性，利用CoFe QDs固有的拟POD活性开展了系列检测方法开发。将 CoFe QDs 与葡萄糖氧化酶结合开发比色葡萄糖检测系统，其在过氧化氢存在下催化氧化 TMB 引发颜色变化，可利用 450 nm 处的吸光度检测葡萄糖。进一步基于 GSH 对 CoFe QDs 催化氧化 TMB 的抑制作用建立 GSH 检测方法。基于 CoFe QDs 催化氧化 TMB 和 NO₂⁻ 诱导的重氮化反应构建了 NO₂⁻ 比色比率检测体系，该体系具有良好的线性范围和稳定性。在此基础上，开发智能手机辅助比色检测平台，通过颜色和灰度图像分析实现对检测底物定量，具有线性相关性强、检测限低等特点。目视观察与智能手机辅助分析结合可简单精确检测多种生物标志物，提高检测速度、降低操作复杂度并减少对高精度设备依赖。

图文导读

图1. 对CoFe LDHs和CoFe LDHs-V_O类POD活性的DFT研究。（A）CoFe LDHs 和 CoFe LDHs-V_O 的 DFT 模型，以及对应的电子定域函数（ELF）。（B）CoFe LDHs 和 CoFe LDHs - V_O 催化产生羟基自由基的反应路径示意图。（C）CoFe LDHs 和 CoFe LDHs - V_O 催化产生羟基自由基的自由能图。

图2. CoFe QDs的结构表征与物理化学性质。（A）CoFe QDs 的TEM图像；（B）CoFe QDs 的粒径分布；（C）CoFe QDs 的HRTEM图像；（D）Co、Fe和O的EDS元素分布图；（E）CoFe QDs 的EDX图；（F）CoFe QDs 的XRD光谱；（G）CoFe QDs 的FTIR；（H）CoFe QDs 的拉曼光谱；（I）CoFe QDs 的Co 2p XPS；（J）CoFe QDs 的Fe 2p XPS；（K）CoFe QDs 的O 1s XPS；（L）Co-OH、Fe-OH、CoFe LDHs和 CoFe QDs 的ESR光谱。

图3. POD活性表征。（A）CoFe QDs 催化产生自由基氧化 TMB 的示意图。（B）不同材料类 POD 活性的UV-Vis光谱。（C）不同材料类 POD 活性的吸光度随时间的变化。（D）DMPO 捕获·OH 的ESR光谱。（E）不同浓度 CoFe QDs 类 POD 活性的UV-Vis光谱。（F-G）不同浓度 CoFe QDs 类 POD 活性的吸光度随时间的变化。不同浓度 H₂O₂（H - K）和 TMB（L-O）条件下，Co-OH、Fe-OH、CoFe LDHs 和 CoFe QDs 类 POD 活性的吸光度随时间的变化。

图4. 基于类过氧化物酶活性的 CoFe QDs 纳米酶进行葡萄糖、谷胱甘肽（GSH）和亚硝酸盐（NO₂⁻）检测。（A）葡萄糖检测校准曲线。（B）葡萄糖传感特异性评估：浓度为 5 mM 时，葡萄糖与其他糖类的吸光度差异。（C）GSH 检测校准曲线。（D）GSH 传感特异性评估：浓度为 15 μM 时，GSH与其他氨基酸的吸光度差异。（E）CoFe QDs/TMB、CoFe QDs/TMB + NO₂⁻和 CoFe QDs/TMB + AA混合物的UV-Vis光谱。（F）CoFe QDs/TMB、CoFe QDs/TMB + NO₂⁻和 CoFe QDs/TMB + NO₂⁻ + AA 混合物的UV-Vis光谱。（G）向 CoFe QDs/TMB 体系中加入不同浓度NO₂⁻后的UV-Vis光谱。（H）0.5 至 200 μM 范围内，吸光度比值 A₄₄₅/A₆₅₂与NO₂⁻浓度的线性相关性。（I）智能手机辅助的 CoFe QDs 纳米酶比色分析传感平台示意图。（J）血液样本中，灰度（K）值与 0.8 至 5 mM 葡萄糖浓度的线性相关性。（K）血液样本中，Y值与0.1至1 mM 葡萄糖浓度的线性相关性。（L）尿液样本中，K 值与 0.16 至 0.96 mM GSH 浓度的线性相关性。（M）尿液样本中，C/Y 值与0.16至0.96 mM GSH 浓度的线性相关性。（N）尿液样本中，K 值与3至17.5 μM NO₂⁻浓度的线性相关性。（O）尿液样本中，3至17.5 μM 范围内，Y/C值与 NO₂⁻浓度的线性关系。

结论

总之，本研究通过缺陷工程显著提升了CoFe LDHs纳米材料的催化活性，凸显了氧空位在调控催化微环境和优化纳米酶活性方面的关键作用。DFT计算揭示了氧空位调节 CoFe LDHs 纳米材料电子结构和反应能垒的机制。实验进一步证实了富含氧空位的量子点材料在类POD催化反应中的优异性能。基于该材料构建的比色检测平台能够高灵敏度地检测葡萄糖、谷胱甘肽和亚硝酸盐，并可借助智能手机进行现场分析，为多重生物标志物检测提供了一种经济高效的解决方案。这些研究成果不仅推动了层状双氢氧化物（LDHs）纳米材料在生物传感和个性化医疗领域的应用，也为提高纳米材料的催化性能提供了可行策略和理论依据。

参考文献：Zhongwei Yang^#, Xiaoyu Zhang^#, Longwei Wang, Jian Zhang, Na Ren, Longhua Ding, Shenghao Xu, Zheng Wang, Aizhu Wang*, Hong Liu*, Xin Yu*. Defect-Engineered CoFe Layered Double Hydroxide Quantum Dots: Oxygen Vacancy-Driven Boost in Peroxidase-Mimic Catalysis for Multiplex Biomarker Sensing. ACS Materials Letters 2025, 7, 1777-1785.

DOI: 10.1021/acsmaterialslett.4c02651

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsmaterialslett.4c02651

通讯作者简介：

王政，西安电子科技大学先进材料与纳米技术学院讲师。2017年获兰州大学材料物理与化学专业博士学位。主要研究方向为纳米材料的设计合成及其在光催化和光电化学中的应用。

王爱珠，女，山东大学博士研究生，博士期间曾赴昆士兰科技大学联合培养；后加入新加坡国立大学做 Research Fellow，现为济南大学前沿交叉科学研究院副教授。近年来一直致力于低维纳米材料电学、磁学、光学和力学性质的理论研究及其潜在的应用分析；新型 2D Dirac 材料及其拓扑特效的理论设计与预测；氧化还原反应等方面的研究。

于欣，济南大学前沿交叉科学研究院教授，副院长，国家优秀青年基金获得者。主要研究方向为纳米催化材料在能源、传感和生物治疗方面的应用。在包括Angew. Chem. Int. Edit., Adv. Mater., ACS Nano等学术期刊上发表SCI文章100余篇，其中通讯/第一作者60余篇。引用次数5500余次，H index为43。获得了国家优秀青年基金（2024），山东省杰出青年基金（2022），山东省泰山学者青年专家项目（2021），山东省优秀青年基金（2019），国家面上项目等项目的资助。是Exploration, IJMMM的学术编辑，BMEMat, NML, Rare Metals等杂志的青年编委，Rare Metals，Mater. Today Sustain.等的客座编辑。