基于钴氮氯掺杂碳点的比色-开关传感系统用于酸性磷酸酶活性的检测

摘要 元素掺杂是提高纳米酶类酶活性的有效手段。本研究以CoCl2 和谷氨酸盐为原料，采用一步水热法制备具有类过氧化物酶（POD）活性的钴氮氯掺杂碳点（Co，N，Cl-CDs），可在弱酸性条件下催化H2O2 产生羟基自由基（∙OH），将3，3′，5，5′-四甲基联苯胺（TMB）氧化，生成蓝色的氧化产物（oxTMB），体系产生明显的颜色变化。酸性磷酸酶（ACP）能催化抗坏血酸磷酸酯钠（AAP）水解，产生抗坏血酸（AA）， AA 可将蓝色oxTMB还原，体系颜色变浅。基于上述原理，本研究开发了一种比色-开关传感系统用于检测ACP 的活性， ACP 浓度在0.5～20 U/L 范围内具有良好的线性关系，检出限为0.17 U/L（3σ）。将此传感系统用于实际血清样品中ACP 活性的检测，加标回收率为97.1%～105.7%，相对标准偏差（RSD）lt;5%。本研究基于Co，N，Cl-CDs 开发的传感系统具有检测成本低和过程可视化等特点，为ACP 活性的检测提供了新思路。

关键词 碳点；纳米酶；多元素掺杂；比色法；酸性磷酸酶

酸性磷酸酶（ACP）是一种在酸性条件下能催化磷酸酯水解的消化酶，遍布生物体内[1]。通常，人体中的ACP 含量较低，其活性水平的异常与前列腺癌、白血病和戈谢病等疾病的发生有很大关联[2-3]。目前， ACP 活性的检测方法包括荧光法[4-5]、表面增强拉曼散射（SERS）法[6]、电化学法[7-8]和比色法[9-11]等。其中，荧光法的操作简单，但选择性较低；SERS 法的分辨率高、检测快速，但稳定性不佳；电化学法具有灵敏度高和检测范围宽的优点，但选择性与重复性较差。比色法因成本低、操作简便及结果可视等优点，引起了广泛关注。但是，目前报道的检测ACP 活性的比色法多基于具有类酶活性的金属纳米材料[12]，但这些材料的合成成本较高、制备过程复杂且易被氧化。因此，开发制备简单、成本低和性能稳定的类酶活性材料用于ACP 活性的检测具有重要的实际意义。

纳米酶是指具有类酶活性的纳米材料，与天然酶相比，纳米酶稳定性好，易于批量生产和储存，并且可以通过多种方式调控活性[13-14]。自2007 年阎锡蕴团队发现Fe3O4 纳米粒子具有类过氧化物酶（POD）活性[15]以来，对纳米酶的关注度日益增长。具有类酶活性的纳米材料主要包括金属及金属化合物、有机金属框架和碳基纳米材料等[16]。碳点（CDs）是一类碳基纳米材料，具有良好的水溶性和生物相容性，并且易于修饰[17]，在生物传感、医学检测及药物输送等多个领域具有良好的应用潜力。研究表明，采用一种或多种元素对CDs 进行掺杂，可通过协同作用或加速电子转移速率等途径赋予CDs 多种类酶催化活性[18-19]。

本研究以CoCl2 和谷氨酸盐为原料，采用一步水热法制备了钴氮氯掺杂碳点（Co，N，Cl-CDs）（图1）。在弱酸性条件下， Co，N，Cl-CDs 表现出优异的类POD 活性，可催化H2O2 氧化3，3′，5，5′-四甲基联苯胺（TMB），生成蓝色的TMB 氧化产物oxTMB，使体系在652 nm 处的吸光度（A652 nm）增大。ACP 可催化抗坏血酸磷酸酯钠（AAP）发生水解反应，释放出具有强还原性的抗坏血酸（AA）， AA 可还原蓝色的oxTMB，使体系的A652 nm 降低。基于上述原理，本研究构建了一种高效、灵敏的ACP 比色-开关传感系统，用于实际人血清样品中ACP 活性的检测。