利用基于核黄素的双金属掺杂Ce-MOF的过氧化物酶模拟物制备荧光/比色多通道传感器阵列，以实现高效检测重金属离子

《Environmental Research》：Fabrication of a fluorescence/colorimetric multi-channel sensor array utilizing riboflavin derived bimetallic-doped Ce-MOF based peroxidase mimic for highly efficient determination of heavy metal ions

　　

肖亮|邱兰莉|赵文博|杨鹏|杨雅玲|钟子涛

昆明理工大学生命科学技术学院，中国云南省昆明市，650500

摘要

当前的重金属污染在中国草药的生产和消费阶段都带来了显著的风险，这凸显了对多种重金属进行严格监测以确保质量控制的必要性。在这项研究中，我们使用了一种生物相容性配体核黄素（维生素B2），并与过渡金属Cu、Ce和Fe结合，合成了新型的Cu,Fe@Ce-MOF(V_B2)复合材料。该材料不仅具有类似过氧化物酶（POD）的催化活性，还具备固有的荧光特性，能够氧化三种显色底物——TMB、ABTS和DAB，从而产生多色的显色反应。此外，其荧光发射强度会受到不同目标金属离子的影响。这些特性使得我们能够在低至16.67 μg/mL的浓度下同时识别和检测十种金属离子，并能区分金属离子的三元混合物。这一发现为多种金属离子的检测和区分提供了一种快速、直观且高效的方法，展示了其在中药质量控制中的潜在应用价值。

引言

由于重金属在生物体内的积累会产生毒性作用，因此引起了广泛关注，对环境和公共健康构成了严重威胁。这些金属元素（包括镍、汞、铬和银）通过多种机制对生物系统产生不良影响，例如干扰酶活性、破坏细胞结构以及引发氧化应激（Zamora-Ledezma等人，2021年）。此外，这些影响还可能通过食物链进一步放大。中药中的重金属污染主要来源于栽培环境（如受污染的土壤和水源、大气沉降），以及栽培过程中使用的农药和化肥，还有在收获、加工和储存过程中的交叉污染。由于传统中药通常需要长期服用，即使是很低的重金属剂量也会随着时间积累，导致慢性毒性。这不仅会降低药效，还可能损害肝脏、肾脏和神经系统等关键器官（Andleeb等人，2023年）。因此，准确检测环境中的重金属对人类健康和生态安全至关重要。

目前，传统的重金属检测方法（如原子吸收光谱法（Cimadevilla等人，1995年）、电感耦合等离子体质谱法（Laborda等人，2023年）和X射线荧光光谱法（Polgári等人，2011年）存在明显局限性，包括复杂的预处理过程、高昂的设备成本、场地限制，以及多金属共存于复杂基质（如土壤、水和生物组织）时产生的干扰效应（Li等人，2020年、2021年；Mohapatra和Das，2019年；Qin等人，2021年）。这些限制严重阻碍了实际样品中特定重金属的准确定量。因此，迫切需要开发能够同时识别多种重金属污染物的创新分析平台。

传统方法的局限性推动了传感器阵列技术的发展（Wang等人，2021年；Zhang等人，2024年）。传感单元与重金属离子相互作用，产生多种响应信号，包括电化学和光学变化，这些信号共同构成了每个目标的独特“指纹”（Lin等人，2025年；Zhao等人，2026年）。当与主成分分析（PCA）和线性判别分析（LDA）等化学计量算法结合使用时，可以建立一种通过单次测试同时识别和定量多种重金属的方法——这种效果类似于“指纹识别”。这一技术进步显著提高了处理复杂基质（特别是中药）时的抗干扰性能和分析能力。最近，报道并应用了具有不同酶模拟活性（如过氧化物酶）的各种纳米复合材料，用于多种分析物的检测（Guo等人，2025年；Tian等人，2026年；Xu等人，2025年；Zhao等人，2025年），这为构建多通道传感器阵列提供了灵感。

金属有机框架（MOFs）是一类新型的结晶多孔材料，具有独特的结构特征，在传感、催化、气体储存和分离等多个领域具有广泛的应用前景（Jiang等人，2025年；Lin等人，2024年）。通过扩展金属节点和有机连接剂，MOFs可以形成高度有序的三维网络结构，其中包含纳米级通道和空腔，从而具有极大的比表面积。这种结构提供了大量的吸附位点，显著增强了富集和捕获目标物质的能力（Liang等人，2017年；Wang等人，2019年）。由于其超高的比表面积、高度可调性和可功能化的结构、未饱和的金属位点以及多样的晶体配置，MOFs在纳米酶传感和催化方面具有巨大的应用潜力（Huang等人，2019年；Safarik等人，2021年；Wang等人，2019年）。

近年来，已经开发了许多基于MOF的传感器阵列用于金属离子的区分（Chen等人，2023年；Cheng等人，2026年；Tang等人，2025年；Wu等人，2024年；Xu等人，2022年）。大多数研究集中在监测环境水样（包括自来水和河水）上。同样，重金属污染也是中药中的一个重要问题。因此，应用传感器阵列方法对这些样品中的重金属进行区分和定量显得十分紧迫且具有前景。同时，使用单一材料开发具有独特光学或催化特性的多通道传感器阵列尤其具有吸引力。这样可以避免复杂的材料制备过程，从而在降低成本和操作简便性方面具有潜在优势。

在选择Cu、Fe和Ce作为金属复合材料时，主要基于以下考虑：首先，这三种金属都是地球上丰富的、成本低廉且环保的非贵金属，是昂贵贵金属催化剂的有希望的替代品，具有很高的实际应用潜力。其次，每种成分都有不可替代的固有优势：Fe通过可逆的Fe²⁺/Fe³⁺价态循环表现出优异的氧化还原活性（Jin等人，2024年）；Cu具有优异的电子转移效率和催化选择性，可以加速反应动力学；Cu还具有构建荧光材料的优异配位能力（Pakiari等人，2021年）；Ce独特的Ce³⁺/Ce⁴⁺对提供了丰富的氧空位和出色的氧储存/释放能力，显著提高了催化剂的长期稳定性和抗毒性（Tian等人，2026年）。最重要的是，这三种金属的能级匹配良好，能够产生强烈的界面协同作用，进一步优化了电子结构，提升了内在的催化活性，优于单一金属和双金属催化剂。

因此，Cu,Fe@Ce-MOF(V_B2)复合材料是通过微波消化法制备的。通过控制多种金属的掺杂比例和配体V_B2，该材料具备了类似过氧化物酶（POD）的活性和出色的荧光特性。基于该材料的固有荧光特性和POD样活性，我们构建了一个比色/荧光传感器阵列。该阵列用于通过四通道系统识别和检测十种金属离子（Cu²⁺、Ni²⁺、Al³⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Cr³⁺、Cr⁶⁺、As⁵⁺、Ag⁺）。本研究使用TMB、ABTS和DAB作为信号探针，基于不同金属离子在Cu,Fe@Ce-MOF(V_B2表面的结合能力及其对催化氧化反应的不同影响，构建了一个多信号输出传感系统。每种金属离子产生了独特的指纹交叉响应，通过LDA和层次聚类分析（HCA）实现了对单个和混合金属离子的准确识别。这种荧光/比色传感器阵列表现出出色的抗干扰性能，并成功用于八种中药样品中十种金属离子的检测和区分，提供了一种高效、低成本和高通量的重金属分析方法。（图1）。

章节片段

Cu,Fe@Ce-MOF(V_B2)的合成

采用微波消化技术合成了Cu,Fe@Ce-MOF(V_B2）。首先，用10 mL甲醇溶解0.24 g V_B2，得到溶液A。同时，在另一个10 mL甲醇溶液中加入0.3 g Ce(NO₃)₂·6H₂O、0.14 g CuCl₂·2H₂O和0.1 g FeCl₃·6H₂O，并在搅拌条件下混合得到溶液B。然后将溶液A倒入溶液B中，继续搅拌5分钟后，将混合物转移到微波消化容器中。

Cu,Fe@Ce-MOF(V_B2的表征

进行了全面的材料表征，以阐明合成的Cu,Fe@Ce-MOF(V_B2)的物理化学性质。首先使用SEM成像结合元素映射来观察其形态和元素分布。图1a证实了纳米级MOFs的成功制备，显示出直径约为200至300纳米的均匀粗糙球形结构。此外，该材料还表现出聚集现象。

结论

在这项研究中，我们通过多金属掺杂和引入生物相容性试剂V_B2，制备了一种类似桑叶结构的Cu,Fe@Ce-MOF(V_B2材料。该材料具有出色的POD模拟活性和荧光特性，对于传感器阵列的构建非常重要。重金属离子对Cu,Fe@Ce-MOF(V_B2的固有荧光有不同的抑制作用，可以增强或减弱其对显色底物（TMB、ABTS和DAB）的催化作用。

CRediT作者贡献声明

杨鹏：验证、研究。赵文博：验证。杨雅玲：验证、监督、资源提供。钟子涛：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。邱兰莉：验证。肖亮：撰写——初稿、研究、数据分析、概念化。

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

本工作得到了云南省基础研究项目（202401CF070117）和昆明理工大学分析与测试基金会（2023T20230060、2024M20232118089）的支持。