Fe3O4纳米酶催化活性的适配体调节及其应用于ATP比色检测

三磷酸腺苷（ATP）作为生物系统中一种多功能核苷酸和重要的信号分子，被称为细胞内能量传递的“分子货币单元”，是组织和细胞进行代谢等生命活动所需能量的直接来源。特别是人体内ATP水平与帕金森综合征、阿尔茨海默病等重大疾病密切相关。如何实现复杂生物介质（如血液）中ATP的特异、灵敏的检测分析，一直是极富吸引力和挑战性的研究课题。

近期，曲阜师范大学王桦教授（点击查看介绍）团队通过结合Fe₃O₄纳米酶催化和适配体（Apts）识别功能，开发了一种简单、快速、灵敏、高选择性的比色分析策略，应用于血液中ATP水平的检测分析，主要传感机制和过程如图1所示。将具有磷酸骨架的ATP核酸适配体（Apts）修饰于Fe₃O₄ 纳米颗粒（NPs）表面，用于调节Fe₃O₄类过氧化物酶催化活性并特异性识别ATP。研究发现，经修饰Apts后，Fe₃O₄ NPs获得了显著增强的类过氧化物酶催化活性；在ATP存在下，由于Apts与ATP特异性结合，导致修饰的Apts从Fe₃O₄ NPs表面脱离，引起Fe₃O₄纳米酶的催化活性规律性降低，借此实现血液中ATP的高灵敏、高选择性的定量检测。

图1. 基于Fe₃O₄ 纳米酶催化和Apts识别功能的ATP比色检测机制示意图。

实验中，作者采用紫外可见光谱仪对Fe₃O₄ NPs和Fe₃O₄@Apt结合ATP前后的光吸收特性进行了比较分析，发现修饰Apts的Fe₃O₄ NPs在260 nm处出现核酸的特征吸收峰，ATP的加入导致该吸收峰值迅速降低（图2A）。特别是，修饰Apts后的Fe₃O₄ NPs，可显著提高其类过氧化物酶催化活性，当表面Apts与ATP结合后，催化活性呈现规律性降低，从而验证了具有磷酸骨架的Apts可调节Fe₃O₄纳米酶活性，经借助Apts-ATP特异性结合事件，可实现对ATP的高特异性比色分析。

图2. Fe₃O₄ NPs和Fe₃O₄@Apt结合ATP前后(A)紫外可见吸收光谱以及(B)催化TMB-H₂O₂显色反应的性能比较。

在优化的实验条件下，基于Fe₃O₄催化功能的比色法可在0.50 - 100 μM线性浓度范围内实现对ATP的灵敏检测，检出限为0.090 μM。

图3. 基于Fe₃O₄催化功能的比色法响应不同浓度ATP的校准曲线。

这种利用含磷酸骨架Apts探针调节Fe₃O₄纳米酶催化活性的检测策略，可望扩展应用于其它类型的纳米酶（如过氧化物酶和氧化酶），为开设计各类基于纳米酶催化功能和生物特异性识别元件（如Apts和抗体）生物分析方法，提供了一种通用性的新思路。

这一成果发表在近期Analytical Chemistry 上，第一作者为曲阜师范大学李帅博士和硕士研究生赵晓廷；通讯作者为王桦教授。

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Fe₃O₄ Nanozymes with Aptamer-Tuned Catalysis for Selective Colorimetric Analysis of ATP in Blood

Shuai Li, Xiaoting Zhao, Xiaoxue Yu, Yuqi Wan, Mengyuan Yin, Wenwen Zhang, Bingqiang Cao, Hua Wang*

Anal. Chem., 2019, 91, 14737-14742, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b04116

李帅博士简介

李帅，博士，曲阜师范大学博士后。2018年6月毕业于华东师范大学化学与分子工程学院，获理学博士学位，研究方向为活体电化学分析。2018年10月--至今，在曲阜师范大学王桦教授课题组从事博士后研究工作，主要从事纳米酶的活性调节及其应用、纳米生物医学传感检测器件研发的研究。近年来在Analytical Chemistry，Nanoscale，Journal of Materials Chemistry B，Electroanalysis 等国际学术期刊上发表SCI收录论文10余篇。

王桦教授简介

王桦，博士，曲阜师范大学教授、博士生导师、医药与材料应用技术研究所所长；哈尔滨工业大学博士生导师（兼职教授）；2004年博士毕业于湖南大学分析化学专业，主要从事医学与环境检测器件、纳米功能材料、有机合成与药物设计等领域研究。先后在美国和新加坡知名大学和科研院所从事了多年研究工作（归国前系新加坡国家研究院资深研究员），2012年全职回国加入曲阜师范大学，并先后获选山东省“泰山学者”海外特聘专家、山东省首批“智库高端人才”专家、陕西省“百人计划”特聘专家等；近年来，发表SCI收录论文410余篇(高被引论文15篇），论文被引4600余次（详见“科研之友”），并入选2017年英国皇家化学会“Top1%高被引中国作者"榜单；自2012年回国以来，带领团队以第一或通讯作者在Green Chem., Anal. Chem., Chem. Comm., J. Org. Chem.，Adv. Synth. Catal., Nanoscale, Chem. Eur. J. 等国际专业权威期刊发表SCI源期刊论文150余篇（高被引论文11篇），申请中国发明专利53项(已授权22项)，并拥有多项应用性产品技术；此外，致力于“产学研”技术成果推广并成效显著，先后获第八届中国技术市场“金桥奖”先进个人和“科学中国人”2016年年度人物提名，个人“创新创业创”业绩获国内外主流媒体多次专访报道。

王桦

https://www.x-mol.com/university/faculty/21155

课题组网址

http://wang.qfnu.edu.cn