《Biosensors and Bioelectronics》：Microenvironment-engineered Br?nsted acidity in MOF-808 for efficient organophosphate hydrolysis and sensing
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羟基修饰MOF-808-OH通过增强Br?nsted酸位点提升磷酸酯水解效率1.9倍，并实现5-1000μg/mL的宽线性检测（限值2.5μg/mL），同时可通过Ca2+沉淀回收产物。
陈一飞|朱梦雪|陈正毅|唐寅军|李瑞敏|万海飞|方洁|杨文红|姜文轩|徐淼|王长龙|胡柳勇|朱成洲|顾文玲
中国中部师范大学化学学院，绿色农药国家重点实验室，智能生物传感技术与健康国际联合研究中心，武汉，430079，中华人民共和国
摘要
有机磷酸酯（OPEs）是典型的磷酸酯底物，其高效水解过程严重依赖于路易斯酸和布朗斯特酸的协同催化作用，这一现象在天然水解酶中已有观察。然而，大多数人工催化剂主要关注路易斯酸性的金属中心，而布朗斯特酸性在水解纳米酶中的作用机制却很少被系统研究或验证。本文报道了一种经过羟基修饰的金属有机框架纳米酶（MOF-808-OH），通过在MOF-808的有机连接基团中引入羟基来增强其布朗斯特酸性。结果，MOF-808-OH的磷酸酯水解活性比原始MOF-808提高了1.9倍。结合实验研究和密度泛函理论计算发现，增强的布朗斯特酸位点有助于底物活化及P-O键断裂过程中的过渡态稳定。得益于这种提升的催化效率，MOF-808-OH能够实现对p-硝基苯基磷酸（p-NPP）的可靠比色定量分析，线性范围为5-1000 μg/mL?1，检测限为2.5 μg/mL?1。此外，水解产生的磷酸盐可通过Ca2+诱导的沉淀进行捕获，为后续的磷资源利用提供了可行途径。这项工作证明了布朗斯特酸性在水解纳米酶中的关键作用，这与仅关注路易斯酸位点的传统研究有所不同。结构-活性关系的建立为高性能MOF基水解纳米酶的设计提供了新的可转移原则。
引言
有机磷酸酯（OPEs）是一类代表性的磷酸酯化合物，由于其优异的化学稳定性和阻燃性，在多种工业应用中广泛用作阻燃剂、增塑剂和润滑剂（Xie等人，2022；Fauvelle等人，2021）。然而，它们的高持久性导致在水生环境、土壤和生物基质中广泛积累，通过内分泌干扰、神经毒性和生殖损伤对生态安全和人类健康构成严重威胁（Fu等人，2022；Simoes等人，2020；Murphy等人，2025）。传统的去除方法如吸附、燃烧和臭氧氧化通常效率低下、能耗高，并可能产生有毒副产物（Hu等人，2018；Li等人，2025）。相比之下，酶促水解提供了一种可持续且选择性的替代方案，该方法在温和条件下操作，产生的有害废物极少，是降解OPEs的有前景策略（Han等人，2025；Pu等人，2023；Ran等人，2025）。然而，天然酶的高成本、较差的稳定性和有限的回收性限制了其实际应用（Chen等人，2024）。这些挑战凸显了开发坚固、可重复使用且兼容检测的人工酶模拟物的迫切需求，这些模拟物应同时具备催化转化和OPEs传感的分析信号生成能力。
天然酶如磷酸三酯酶和有机磷水解酶含有双核锌中心，每个Zn2+与一个水或氢氧根配体配位。这产生了一个活化的亲核试剂，攻击底物中的磷原子，而P=O键的极化有助于水解过程中的键断裂。以往对纳米酶的研究主要集中在模拟负责底物活化的路易斯酸性金属中心，而布朗斯特酸性残基在促进质子转移和稳定过渡态方面的重要贡献则相对被忽视（Liao等人，2025a，Liao等人，2025b；Liao等人，2025a，Liao等人，2025b；Kou等人，2024）。然而，仅复制路易斯酸性中心往往无法完全模拟自然界中的催化效率，尤其是在质子转移起关键作用的水环境和生理条件下。例如，在Pseudomonas diminuta中的磷酸三酯酶中，Asp301、His254和Asp233等残基形成了一个质子传递网络（Wang等人，2022；Bai等人，2025；Ma等人，2024）。该网络在催化循环中介导质子传递，稳定过渡态，并促进高效转化。这些残基的布朗斯特酸性（由其pKa值相对于反应pH值定义）与酶活性直接相关（Bigley等人，2019；Aubert等人，2004；Lu等人，2024；Liu等人，2024；Li等人，2022；Pecina等人，2021；Qiao等人，2024）。这些发现强调了布朗斯特酸性在磷酸酯水解中的关键动力学和信号调节作用，突显了其在基于纳米酶的传感系统中精确调控的必要性。
受天然酶催化机制的启发，我们选择MOF-808作为仿生支架，其中Zr6节点作为路易斯酸中心用于底物活化（Chen等人，2024；Chen等人，2024；Garibay等人，2023）。通过在有机连接基团中引入羟基，获得了羟基修饰的纳米酶（MOF-808-OH），其中增强的布朗斯特酸位点促进了质子耦合的P-O键断裂。结果，MOF-808-OH的水解活性提高了约1.9倍，从而加快了信号生成速度并提高了分析灵敏度。密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，羟基修饰通过促进底物吸附和过渡态稳定降低了活化能障碍，建立了明确的结构-活性关系。使用p-硝基苯基磷酸（p-NPP）作为模型底物，其显色水解产物p-硝基苯酚（p-NP）可实现催化活性的直接比色定量分析，线性范围为5-1000 μg/mL?1，检测限为2.5 μg/mL?12+诱导的沉淀选择性捕获水解产物为信号调节和传感器再生提供了可行途径（图1）。这项工作表明，通过微环境工程化的布朗斯特酸性为基于MOF的纳米酶中的磷酸酯传感和催化降解提供了有效策略。
化学品和试剂
所有化学品和试剂均按原样使用，无需进一步纯化。八水合氧化锆（ZrOCl2·8H2O）和3,3,3-三氟丙酸购自上海Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd.；4-硝基苯基磷酸二钠盐购自上海Bide Pharmatech Ltd.；乙醇酸购自上海Macklin Biochemical Co., Ltd.；四硼酸钠和1,3,5-苯三甲酸购自上海Meryer Chemical Technology Co., Ltd.
MOFs的表征
MOF-808因其类似水解的活性而被选为模型材料。为了研究微环境极性对催化性能的影响，我们在合成过程中引入了不同的功能修饰剂来调节其亲水性和布朗斯特酸性。具体而言，MOF-808-OH是通过一步水热法合成并引入乙醇酸得到的（图2a），而MOF-808-CF3则是通过类似方式引入其他修饰剂制备的
结论
在本研究中，通过对MOF-808-OH进行羟基修饰，有效增强了其布朗斯特酸性，使其磷酸酯水解活性比原始MOF-808提高了1.9倍。实验表征和DFT计算证实，羟基增加了孔隙的亲水性，增强了布朗斯特酸位点，并促进了质子耦合的P-O键断裂，从而提高了催化效率。这与传统的MOF研究不同
CRediT作者贡献声明
陈一飞：正式分析、方法学、初稿撰写。朱梦雪：方法学、初稿撰写。陈正毅：撰写、审稿与编辑。唐寅军：正式分析。李瑞敏：数据管理。万海飞：方法学。方洁：数据管理。杨文红：方法学。姜文轩：撰写、审稿与编辑。徐淼：撰写、审稿与编辑。王长龙：软件开发。胡柳勇：验证、撰写、审稿与编辑。朱成洲：资金获取、项目协调
利益冲突声明
作者声明没有可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系。
致谢
作者衷心感谢中国中部师范大学的启动基金、中央高校基本科研业务费（编号CCNU24JCPT032）、湖北省自然科学基金（2023AFB571）、武汉-曙光项目知识创新计划（2023020201020441）、杭州师范大学教育部重点实验室开放研究基金（编号KFJJ2023009）以及学科引才计划的支持
