基于碳酰肼的共价有机框架作为新型过氧化物酶模拟物

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Carbohydrazide-based covalent organic framework as a novel peroxidase mimic

采用缩合反应制备了具有过氧化氢酶-like活性的共价有机框架（TP-CR COF），通过DFT计算、NBO分析和NCI-RDG验证其电子特性及作用机制，并成功催化3,3',5,5'-四甲基苯胺氧化显色。实验表明TP-CR COF对H?O?和葡萄糖检测限分别为5.5μM和6.7μM，展现了高灵敏选择性传感器应用潜力。

　　

Somaye Shahraki|Effat Dehghanian

伊朗扎博尔大学化学系

摘要

近年来，具有酶活性的纳米材料因良好的催化效率、高稳定性、低成本和良好的生物相容性而受到广泛关注。本文通过2,4,6-三甲基苯酚（Tp）与碳肼（CR）的缩合反应合成了一个共价有机框架（COF），并对其进行了表征。计算研究采用了DFT/B3LYP/6–311G(d,p）方法。优化后的结构（经能量最小值确认）显示出3.08 eV的HOMO-LUMO间隙，表明其具有路易斯酸性（ω = 5.64）。NBO分析显示了强烈的电荷转移（E²高达223 kcal/mol），而NCI-RDG分析则揭示了氢键、范德华相互作用和空间位阻的共存。ELF（> 0.5）证实了两个连接基团的共价CN键合。这些结果验证了该COF的成功形成及其电子特性。在过氧化氢（H₂O₂存在下，TP-CR COF能够催化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）氧化为蓝色氧化产物（ox-TMB），表明其具有类似过氧化氢酶的活性。基于这一现象，所制备的COF被用作检测H₂O₂和葡萄糖的灵敏且选择性的比色探针。H₂O₂的检测限（LOD）在10至250 μM范围内为5.5 μM，而葡萄糖的检测限在10至265 μM范围内为6.7 μM。因此，这种TP-CR COF可作为高灵敏度和选择性的过氧化氢酶模拟物，用于检测与过氧化氢相关的分子，显示出其在生物医学应用中的潜力。

引言

目前，比色方法由于其快速响应、操作简便和实际适用性，在现场分析和即时诊断中受到了广泛关注[1]。这些技术无需昂贵或复杂的仪器设备，非常适合现场分析。在各种比色方法中，基于酶的方法由于具有高催化效率和快速反应动力学而被最深入地研究。然而，天然酶的实际应用常常受到复杂纯化程序、稳定性差、储存寿命有限和制备成本高等挑战的限制[2]。因此，仿生催化——特别是通过简单策略制备的具有高催化活性、增强稳定性和良好底物特异性的纳米材料基酶模拟物——已成为一种有吸引力和可获得的替代方案[3]。

近年来，金属有机框架（MOFs）凭借其高结构稳定性、大表面积和高孔隙率，成功应用于比色传感平台[4]、[5]、[6]、[7]。与此同时，共价有机框架（COFs）作为一种新型晶体多孔聚合物出现，由氢、硼、碳、氮和氧等轻元素组成。这些元素通过亚胺、偶氮和腙键等共价连接方式相互连接。COFs具有可调孔隙率、可调节表面积和明确孔径等独特特性，可精确设计用于生物医学[8]、催化[8]、[9]、化学传感[8]、[10]、水净化[11]、气体储存与分离[8]、[12]以及光电学[8]、[13]等领域的应用。从结构上看，COFs可分为二维（2D）或三维（3D）结构；然而，大多数报道的COFs具有通过π–π相互作用堆叠成纳米片的2D层状结构[8]。COFs相对于其他晶体多孔材料的一个显著优势是它们可以进行后合成修饰，从而引入多种功能基团和催化位点。基于这一策略，已有多种基于COF的酶模拟物被报道。例如，Chen等人开发了具有内在过氧化氢酶活性的COF-300-AR用于谷胱甘肽检测[14]。Li及其同事合成了具有显著过氧化氢酶活性和抗菌特性的GFeF复合材料，并成功应用于感染伤口的葡萄糖刺激级联催化治疗[15]。此外，后合成修饰显著提高了COFs的催化性能。Bajda等人使用聚乙烯亚胺（PEI）改进了由三聚氰胺和对苯二甲醛构成的COF的光敏过氧化氢酶活性。在该系统中，PEI同时起到了分散剂和稳定剂的作用，形成了具有更多活性位点的PEI-COF纳米片。这些纳米片随后被用作通过静电相互作用固定柠檬酸包覆的金纳米颗粒的纳米平台，生成了PEI-COF NSs@C-AuNPs，其光催化活性显著增强[15]。

已有许多化合物被报道具有类似过氧化氢酶的催化活性，并被广泛用作H?O?和葡萄糖的检测传感器。例如，Zhu等人提出了一种新的仿生策略，利用牛血清白蛋白（BSA）等生物分子合成人工催化剂，并开发了Hemin@BSA@ZIF-8纳米复合材料。作者通过封装方法实现了对过氧化氢酶活性的可控调节。受辣根过氧化氢酶（HRP）结构特征的启发，BSA被用作封闭空间，创建了围绕血红素分子的疏水微环境。随后，Hemin@BSA复合物被封装在ZIF-8框架内，形成了用于灵敏检测H?O?、葡萄糖和双酚A的分层结构[5]。Tian等人通过2,5-二羟基对苯二甲醛和四-(4-氨基苯)卟啉的脱水反应合成了COF结构，并用磁性Fe₃O₄进行修饰。Fe₃O₄@COFs纳米球表现出高POD活性，H?O₂的检测限（LOD）在0.1–4 μM范围内为2.6 μM，葡萄糖的检测限在0.05–0.9 μM范围内为6 μM[16]。Wang等人的研究中，TAP-COF催化剂由1,6,7,12-四氯苝四羧酸二酐和5,10,15,20-四(4-氨基苯)卟啉铁(III)的缩合反应制得。该催化剂具有大的表面积和许多催化活性位点，由于其高表面积而具有高效的电子转移能力。TAP-COF的POD活性研究表明，H?O₂的检测限在0.01–200 μM范围内为2.6 μM[6]。Nie等人的研究中，ZIF-67与铜和镍结合多吡咯制备了PPy@CuNi-ZIF-67结构，并使用谷胱甘肽和含硫化合物作为PPy@CuNi-ZIF-67的抑制剂。在优化条件下，该体系在0.83–33.33 μM范围内表现出良好的线性，视觉检测限为0.27 μM[17]。

近年来，在COFs的合成方法中，Schiff碱或动态亚胺化学的应用引起了关注。这些化合物具有许多优点，如可在室温下合成、使用亲水性和疏水性溶剂、化学稳定性高以及与先前报道的COFs相比具有更好的孔隙率和结晶性[18]。源自Schiff碱化学的COFs在水中和大多数有机溶剂中都非常稳定，是制备强催化剂的优先选择。Schiff碱配体具有很高的配位能力和与多种金属离子的结合能力[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。这一能力促进了研究人员在催化应用中的研究，使得COFs近年来被认作是常规异相催化、电催化和光催化的优良平台[18]、[26]、[27]。

另一方面，碳肼及其衍生物在COF基催化剂的设计中起着关键作用，因为其富含氮和具有氧化还原活性的结构能够同时实现结构稳定、电子调控和催化位点的形成[28]。碳肼的多个–NH–和–CO官能团有助于形成具有高结晶性、化学稳定性和扩展π共轭的腙连接COFs，这对于H?O?活化过程中的高效电子转移至关重要，这是类似过氧化氢酶催化的关键步骤[29]。此外，这些富含杂原子的基团作为过渡金属离子（如Fe、Co或Cu）的强配位和锚定位点，生成了与天然过氧化氢酶的血红素-氮配位环境相似的孤立或多核活性中心[30]。因此，基于碳肼的COFs表现出增强的POD活性、在酸性条件下的优异稳定性以及更好的催化耐久性，使其成为生物传感和催化应用中极具吸引力的纳米酶平台[31]。

基于以上研究，本文通过2,4,6-三甲基苯酚（Tp）与碳肼（CR）的缩合反应合成了一个基于Schiff碱化学的COF，并对其进行了表征。通过将无色的TMB氧化为蓝色氧化产物来评估Tp-CR COF的类似过氧化氢酶的活性，并研究了其最佳催化条件。随后，利用葡萄糖氧化酶（GOx）、TP-CR COF和TMB进行了基于选择性比色的葡萄糖检测。碳肼的引入引入了扩展的π共轭和杂原子介导的电子转移途径，与先前报道的基于COF的POD模拟物相比，显著增强了H?O?活化过程中的氧化还原动力学。

实验部分

实验部分

研究中每个步骤（包括合成、过氧化氢酶活性模拟和动力学研究）所使用的化学品均为市售产品，无需进一步纯化即可使用。不同步骤中的仪器设备、方法和溶液制备的详细信息见ESI。

制备与表征

TP-CR COF的合成过程如图1所示。所研究的TP-CR COF结构是通过一种简单的水热法制备的，其中以苯酚为基础的构建块与灵活的碳肼连接单元进行缩合。灵活的碳肼单元的引入为TP-CR COF结构带来了独特的特性，不仅增强了其发光性能[32]，还使其成为特定的、可逆的结合受体。

结论

本研究采用简单的一步法，利用碳肼制备了基于亚胺键的TP-CR COF，并对其结构进行了表征。尽管TP-CR COF的结构简单且不含其他添加剂，但在H₂O₂存在下，它能够高效催化POD底物TMB氧化为蓝色产物（ox-TMB）。因此，TP-CR COF可以作为灵敏且选择性的H₂O₂检测比色传感器。

CRediT作者贡献声明

Effat Dehghanian：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、软件使用、资源提供、数据分析。Somaye Shahraki：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢扎博尔大学中央实验室的支持。