黄又举教授团队在Biosensors and Bioelectronics上发表 空间分离的金-氧化铈模拟级联酶用于超氧阴离子的双模检测的研究成果

近日，我院黄又举教授团队在用于超氧阴离子检测的比色-光热双模生物传感器方面取得新进展。相关研究结果以“Cascade enzyme-mimicking with spatially separated gold-ceria for dual-mode detection of superoxide anions”为题发表在Biosensors and Bioelectronics (Q1, IF=10.7)。DOI:10.1016/j.bios.2024.116847。

超氧阴离子（O₂^·−）作为一种重要的调节信使，在细胞生长、稳态和其他生理功能中发挥着不可替代的作用，同时它也是许多其他活性氧的主要来源。过量O₂^·−可能导致氧化应激、细胞凋亡，甚至诱发多种疾病，如阿尔茨海默病、糖尿病、炎症性肠病等。测定O₂^·−的浓度在健康监测和疾病诊断中起着至关重要的作用。由于O₂^·−具有低浓度、高反应性、短寿命的特性，这导致它很难在生理系统中进行检测。从生物学上讲，超氧化物歧化酶广泛存在于生物体中，它可以使O₂^·−转化为过氧化氢（H₂O₂），H₂O₂的寿命更长且可检测。综上所述，检测O₂^·−的关键是设计出同时具有超氧化物歧化酶和过氧化物酶多种酶活性的材料。

在此基础上，黄又举教授团队成功研发一款集类超氧化物歧化酶和类过氧化物酶于一身的具有空间分离结构的Au-CeO₂。具体来说，具有空间分离异质结构的哑铃型Au-CeO₂纳米酶是通过在金纳米棒末端选择性生长CeO₂合成的。利用金纳米棒优异的局部表面等离子体共振效应，空间分离的Au-CeO₂比连续生长的核壳结构的Au@CeO₂具有更高的光热效应。同时，在808 nm激光照射下，金纳米棒的热电子可以转移到CeO₂，从而改变CeO₂上Ce³⁺/Ce⁴⁺的比例，促进H₂O₂分解，增强类过氧化物酶活性。与此同时，基于Au-CeO₂的类超氧化物歧化酶活性，O₂^·−可以转化为过氧化氢。通过级联催化和光热效应实现了O₂^·−的吸光度和温度双模式传感检测，检测范围从nM到μM，即0.1-150 μM和LOD为0.033 μM（S/N=3）。该方法适用于癌症和正常细胞样品，具有令人满意的准确度和回收率。

本研究成功合成了具有空间分离异质结构的哑铃型Au-CeO₂金属半导体纳米酶。在中性环境下，由于Au-CeO₂具有类似超氧化物歧化酶的活性，低浓度、短寿命的O₂^·−可以转化为长寿命的H₂O₂。更重要的是，Au-CeO₂通过等离子体诱导的热电子和光热效应，以其显著的类过氧化物酶活性实现超灵敏的H₂O₂响应，并通过双模式检测平台，即光热效应引起的温度变化和3,3',5,5'-四甲基联苯胺氧化引起的吸光度变化来确定。综上所述，本工作不仅为等离子体诱导光热增强纳米酶活性提供了参考，而且为O₂^·−检测提供了一种低成本、高灵敏度的方法。

图1 Au-CeO₂的激光增强类过氧化物酶活性的示意图以及基于光热效应增强的级联反应用于O₂^·−的双模检测。

杭州师范大学硕士研究生杨冰和曾俊逸为该论文的共同第一作者，杭州师范大学材料与化学化工学院黄又举教授和陈靓副教授为该论文的共同通讯作者，杭州师范大学为第一完成单位。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金项目等项目的资助。