来源：Bimetallic Cu/Ce-MOF-808 nanozyme with enhanced haloperoxidase-mimetic activity for quorum sensing disruption and marine antifouling（Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engin）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
海洋生物污损长期困扰船舶与海洋设施。传统杀生剂释放型防污涂层受环保法规限制，亟需绿色替代方案。本研究理性设计并合成了一系列Cu/Ce双金属MOF-808纳米酶，通过铜掺杂调控界面性质——增大比表面积、提升正电性，从而增强对溴离子的静电吸附，显著提高卤过氧化物酶模拟活性。最优的15%铜掺杂样品在中性与弱碱性条件下均表现出最高催化活性，原位生成次溴酸实现约83%的抗菌率，并通过氧化群体感应信号分子3-oxo-C8-HSL阻断生物膜形成。研究进一步证实，防污性能主要源于表面催化卤化反应，而非铜离子的大量释放。
研究背景
海洋生物污损是一个动态界面过程：浸没表面先吸附有机调理膜，随后微生物附着，最终大型污损生物定殖。这一过程增加表面粗糙度与流体阻力，降低能效，加速材料劣化，造成经济损失与生态风险。依赖有毒杀生剂持续释放的传统防污策略因持久环境影响而日益受到法规限制，开发环境友好型替代方案成为迫切需求。
在污损进程中，微生物生物膜的形成起关键作用——它为后续大型污损生物的附着与定殖提供基底。生物膜是嵌入自身分泌的胞外聚合物基质中的结构化微生物群落，具有极强的环境适应性与抗扰动能力。生物膜的形成与成熟受群体感应（QS）严格调控，细菌通过这一细胞间通讯机制协调群体行为。因此，干扰群体感应、抑制生物膜起始，成为绿色防污的重要切入点。天然卤过氧化物酶能催化过氧化氢氧化卤离子生成次卤酸，实现防污，受此启发，本研究构建双金属MOF基纳米酶，以界面工程强化卤过氧化物酶模拟活性。
研究方法
2.1 化学试剂与材料
1,3,5-苯三甲酸（H3BTC，98%）购自阿拉丁试剂有限公司。N,N-二甲基甲酰胺（DMF，分析纯）与甲酸（FA，分析纯）购自国药集团化学试剂有限公司。硝酸铈铵（(NH4)2Ce(NO3)6，分析纯）、硝酸铜（Cu(NO3)2，分析纯）、氯化钠（NaCl，≥99.8%）、氢氧化钠（NaOH，≥96.0%）及过氧化氢（H2O2，30%水溶液）同样购自国药集团化学试剂有限公司。溴化铵（NH4Br，99.998%金属基）购自阿拉丁试剂有限公司。酚红（C19H14O5S，分析纯）与N-(3-氧代辛酰基)-DL-高丝氨酸内酯（3-oxo-C8-HSL，HPLC纯度≥97%）由上海麦克林生化科技有限公司提供。戊二醛（C5H8O2，2.5%水溶液）购自赛维尔生物科技有限公司。所有试剂与溶剂均按收到状态使用，未经进一步纯化。
【数据】试剂：H3BTC 98%；DMF 分析纯；FA 分析纯；(NH4)2Ce(NO3)6 分析纯；Cu(NO3)2 分析纯；NaCl ≥99.8%；NaOH ≥96.0%；H2O2 30%；NH4Br 99.998%；酚红 分析纯；3-oxo-C8-HSL ≥97%；戊二醛 2.5%
2.2 Cu/Ce-MOF-808的合成
Cu/Ce-MOF-808样品按以下步骤合成。将有机配体H3BTC（244.4 mg，1.16 mmol）加入圆底烧瓶，随后加入13 mL N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、2.8 mL甲酸，以及6.5 mL含预定摩尔比(NH4)2Ce(NO3)6与Cu(NO3)2的混合水溶液。密封烧瓶，浸入预热油浴。反应混合物在100 ℃下剧烈磁力搅拌维持30 min。反应结束后，收集所得悬浮液的等分试样。按Cu(NO3)2相对于总金属含量的名义摩尔百分比（0%、5%、10%、15%），所得产物分别记为Ce-MOF-808、Cu/Ce-MOF-808(5%)、Cu/Ce-MOF-808(10%)和Cu/Ce-MOF-808(15%)。合成的固体经离心分离、充分洗涤，随后干燥，获得最终粉末材料。
【数据】配体：H3BTC 244.4 mg（1.16 mmol）；溶剂：DMF 13 mL；甲酸 2.8 mL；金属混合水溶液 6.5 mL；温度：100 ℃；时间：30 min；铜名义摩尔比：0%、5%、10%、15%
2.3 物理与化学表征
采用场发射扫描电子显微镜（FESEM；SIRION TMP，FEI公司，美国）在12 kV加速电压下考察所制Cu/Ce-MOF-808样品的表面形貌与微观结构特征。成像前，粉末样品经细磨、均匀固定于样品台，并喷金5 min以减少荷电效应。进一步采用高分辨透射电子显微镜（HRTEM；JEM-2100，JEOL，日本）在200 kV工作电压下研究Cu/Ce-MOF-808的形貌特征与晶格条纹结构。晶面分析使用Gatan Digital Micrograph软件结合所获HRTEM图像进行。粒径分布与流体力学直径测量使用Zetasizer Nano ZS90激光粒度分析仪（Malvern Instruments，英国）。样品分散于去离子水中并超声30 min以确保分析前分散均匀。Zeta电位测量使用同一仪器，评估Cu/Ce-MOF-808纳米颗粒在水悬浮液中的表面电荷性质与胶体稳定性。所有测量在25 °C下三重重复，结果以平均值±标准差表示。
粉末X射线衍射（XRD）图谱使用Empyrean衍射仪（PANalytical，荷兰）记录，配备Cu Kα辐射（λ = 1.5406 Å），室温下2θ范围0°–40°。物相鉴定与结构分析参照剑桥晶体数据中心（CCDC）数据库，使用MDI Jade 9软件进行。X射线光电子能谱（XPS）测量在ESCALAB 250Xi谱仪（Thermo Fisher Scientific，美国）上进行，使用单色Al Kα辐射作为激发源，工作功率250 W。采集调查谱及C 1 s、O 1 s、Ce 3d高分辨谱，随后用Avantage软件分析。所有结合能以284.8 eV的外来C 1 s峰校准，峰解卷积依据相应元素的既定XPS参考数据进行。
Cu/Ce-MOF-808的织构性质，包括比表面积、孔体积、孔径及孔径分布，通过N2吸附–脱附测量评估，使用Micromeritics ASAP 2460比表面积与孔隙度分析仪（Micromeritics Instrument Corp.，美国）。吸附分析前，样品在70 °C真空下脱气8 h以去除吸附水分与挥发性杂质。孔径分布由N2吸附–脱附数据采用Barrett-Joyner-Halenda（BJH）模型计算。
【数据】FESEM加速电压：12 kV；喷金时间：5 min；HRTEM电压：200 kV；超声时间：30 min；Zeta测量温度：25 °C；XRD：Cu Kα，λ = 1.5406 Å，2θ 0°–40°；XPS功率：250 W；C 1 s校准：284.8 eV；脱气：70 °C，8 h
2.4 Cu/Ce-MOF-808的卤过氧化物酶样活性
Cu/Ce-MOF-808的卤过氧化物酶样活性采用标准酚红溴化试验评估。溴化反应在室温下于3 mL反应体系中进行，含100 mg/L Cu/Ce-MOF-808、50 μmol/L酚红、25 mmol/L NH4Br和1 mmol/L H2O2。使用酶标仪（Multiskan SkyHigh A51119700DPC，Thermo Scientific™，美国）以30 min间隔记录300–800 nm波长范围的吸收光谱。通过测量432 nm与590 nm处吸光度监测酚红溴化。为进一步评估Cu/Ce-MOF-808在模拟海洋环境条件下的催化性能，在pH 8.0下重复该试验，其余反应参数保持不变。
卤过氧化物酶样溴化反应的动力学分析进一步利用酚红的时间依赖性消耗进行。表观酚红浓度通过其590 nm特征吸光度监测。依据Beer–Lambert关系假设吸光度与酚红浓度成正比，表观准一级速率常数（kapp）由ln(Ct/C0)对反应时间线性回归的斜率确定，其中C0与Ct分别代表初始与相应反应时刻的表观酚红浓度。动力学分析在Ce-MOF-808、Cu/Ce-MOF-808(5%)、Cu/Ce-MOF-808(10%)和Cu/Ce-MOF-808(15%)于中性与pH 8.0条件下进行。
【数据】反应体积：3 mL；纳米酶浓度：100 mg/L；酚红：50 μmol/L；NH4Br：25 mmol/L；H2O2：1 mmol/L；检测波长：432 nm、590 nm；光谱范围：300–800 nm；时间间隔：30 min；pH条件：中性、8.0
2.5 Cu/Ce-MOF-808的Cu与Ce离子释放行为
在模拟海洋条件下评估Cu/Ce-MOF-808纳米颗粒的Cu离子释放行为，以考察其结构稳定性与潜在环境影响。四种样品，包括原始Ce-MOF-808及不同铜掺入水平（5%、10%、15%）的Cu/Ce-MOF-808，分别分散于3.5 wt% NaCl溶液中模拟海水。各纳米颗粒悬浮液浓度调至50 mg/L。制备仅含3.5 wt% NaCl的空白溶液作为对照。为避免重复取样造成的干扰，每个采样时间点准备一支含20 mL悬浮液的独立离心管。悬浮液在实验室环境条件下孵育，于0、1、4、8、12、24 h以及2、4、7、10、14、21 d后取样。在每个指定时间点，将全部悬浮液以10,000 rpm离心10 min。所得上清液随后通过0.22 μm膜过滤以去除残留纳米颗粒。滤液立即用硝酸酸化，于4 °C保存待分析。滤液中溶解态Cu与Ce离子浓度通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS，Agilent 7800，Agilent Technologies）定量。
【数据】介质：3.5 wt% NaCl；纳米颗粒浓度：50 mg/L；取样体积：20 mL；取样时间：0、1、4、8、12、24 h及2、4、7、10、14、21 d；离心：10,000 rpm，10 min；过滤：0.22 μm；保存：4 °C
研究结果
3.1 Cu/Ce-MOF-808的物相分析与价态分析
所合成Cu/Ce-MOF-808样品的晶体结构通过粉末X射线衍射（PXRD）表征。如图1a所示，所有样品的衍射图谱与剑桥晶体数据中心（CCDC 1509776）衍生的模拟MOF-808参考图谱高度一致，证实MOF-808骨架成功构建。未观察到可检测的杂质峰，表明Cu物种的引入未损害母体骨架的结晶完整性。特征衍射峰对应的晶面间距约为20.42 Å，可归属于MOF-808架构的固有结构周期性。该特征间距的保留进一步证明，铜引入后长程有序骨架结构保持完整。鉴于结晶度与结构稳定性是决定催化活性与运行耐久性的关键因素，Cu/Ce-MOF-808保存完好的晶体架构有望促进高效催化性能。
为进一步阐明Cu/Ce-MOF-808纳米颗粒的表面化学态与元素组成，进行了X射线光电子能谱（XPS）分析。调查谱（图1b）清晰证实所制样品中存在C、O、Ce和Cu元素。高分辨C 1 s谱（图1c）可解卷积为三个特征峰，分别位于284.8、286.1和288.6 eV，对应C–C/C–H、C–O和CO键合环境，源自H3BTC有机配体。O 1 s谱（图1e）中，位于529.5、531.6和533.1 eV的峰分别归属于晶格氧、缺陷相关或表面活性氧物种、以及羟基或碳酸根中的氧物种。可逆的Ce3+/Ce4+氧化还原转变促进晶格氧迁移，从而产生氧空位以维持骨架内电荷平衡。同时，Cu物种的引入改变Ce位点的局部化学环境，导致表面Ce3+/Ce4+比值升高、氧空位浓度增大。这些结构与电子变化提供额外活性位点，可能有助于增强Cu/Ce-MOF-808的卤过氧化物酶样催化活性。
高分辨Ce 3d谱（图1d）进一步揭示Ce3+与Ce4+物种共存。位于883.1、887.4、898.6、901.5、906.3和917.0 eV的特征峰归属于Ce4+物种，而881.4、885.6、899.6和904.0 eV的峰对应Ce3+物种。基于峰面积积分的半定量分析表明，随着铜掺入增加，表面Ce3+比例从43.11%逐渐升至47.65%，同时Ce4+比例相应下降（表1）。此外，含15% Cu的Cu/Ce-MOF-808样品氧空位浓度最高，约占总O 1 s峰面积的59.54%。Cu 2p谱（图1f）显示峰强度随铜含量增加而逐渐增强，进一步证实Cu物种成功引入MOF-808骨架。总体而言，铜掺入通过提高Ce3+/Ce4+比值、促进氧空位形成，有效调控了Ce-MOF-808的表面电子结构。这些结构与电子特征有望增强界面电子转移，并对Cu/Ce-MOF-808纳米酶的卤过氧化物酶样催化活性产生积极贡献。
【数据】晶面间距：约20.42 Å；C 1 s峰：284.8、286.1、288.6 eV；O 1 s峰：529.5、531.6、533.1 eV；Ce4+峰：883.1、887.4、898.6、901.5、906.3、917.0 eV；Ce3+峰：881.4、885.6、899.6、904.0 eV；表面Ce3+比例：43.11%→47.65%；氧空位占比：约59.54%（15% Cu样品）；XPS校准：284.8 eV
3.2 Cu/Ce-MOF-808的表面形貌分析
Cu/Ce-MOF-808纳米颗粒的表面形貌与微观结构特征见图2。如图2a所示，所制Cu/Ce-MOF-808样品呈现相对均匀的颗粒聚集体，颗粒间边界清晰。随着铜掺入增加，Cu/Ce-MOF-808(10%)与Cu/Ce-MOF-808(15%)样品的聚集行为更为明显（图2b）。尽管如此，颗粒基本保留原有形貌特征，表明Cu物种引入未显著破坏MOF-808的结构骨架。进一步采用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）进行结构表征（图2c）。放大图像中可观察到清晰、分辨良好的晶格条纹，证明合成材料的高结晶度。测得晶面间距约为20.42 Å，对应MOF-808骨架的特征周期性结构。该结果进一步证实铜掺入未实质性改变MOF-808的固有晶体结构。
【数据】晶面间距：约20.42 Å；铜掺入水平：0%、5%、10%、15%；聚集程度：随铜含量增加而增强（10%、15%样品）
3.3 Cu/Ce-MOF-808的元素分布与组成分析
通过基于透射电子显微镜（TEM）的元素映射与能量色散X射线谱（EDS）分析，进一步研究Cu/Ce-MOF-808的元素分布与化学组成，如图3所示。图3a的TEM图像及相应元素映射结果表明，元素C、O、Ce和Cu均匀分布在整个颗粒区域。该观察证实Cu物种成功引入Ce-MOF-808骨架且无明显相分离。此外，Ce与Cu信号之间存在显著空间重叠，表明Cu物种均匀分散于MOF基质中，而非形成孤立的富铜畴。相对均匀的元素分布进一步表明铜的引入未显著破坏MOF骨架的结构完整性。
SEM分析所得的EDS谱（图3b）进一步验证合成材料的元素组成。可清晰识别对应C、O、Ce和Cu的特征峰，证实这些元素在Cu/Ce-MOF-808骨架中共存。还检测到微弱Pt信号，源自SEM样品制备时施加的铂涂层而非材料本身。从样品(b-1)至(b-4)，Cu信号强度随名义铜含量增加而逐渐增强，而Ce信号强度保持相对稳定。该趋势进一步证明Cu物种成功且可控地引入Ce-MOF-808体系。均匀的元素分散与可控的铜掺入证实Cu物种成功整合入Ce-MOF-808体系。然而，当前EDS与XPS结果并未直接确定Cu在MOF骨架中的局部配位几何。Cu与Ce物种的共存被认为为调控Ce-MOF-808骨架的化学与界面环境提供了结构基础，可能有助于铜掺入后观察到的HPO样催化活性增强。
【数据】元素：C、O、Ce、Cu；分布：均匀，Ce–Cu信号显著重叠；Cu信号：随名义铜含量（b-1至b-4）递增；Ce信号：相对稳定；Pt信号：来自SEM铂涂层
3.4 Cu/Ce-MOF-808的比表面积分析
通过氮吸附–脱附测量系统表征Cu/Ce-MOF-808系列的比表面积，相应等温线、孔径分布、BET比表面积与微孔宽度见图4。如图4a–d所示，所有样品呈现典型IV型吸附–脱附等温线，并在中间相对压力区（P/P₀ = 0.4–0.9）伴有明显滞后环，表明存在发育良好的介孔结构。此外，比表面积随铜掺入量变化呈现规律性改变，Cu/Ce-MOF-808(15%)表现出最大的BET比表面积（图4e），微孔宽度亦随铜含量发生相应变化（图4f）。
【数据】等温线类型：IV型；滞后环：P/P₀ = 0.4–0.9；BET比表面积：Cu/Ce-MOF-808(15%)最大；铜掺入水平：0%、5%、10%、15%；测试方法：N2吸附–脱附，BJH模型
3.5 Cu/Ce-MOF-808的Zeta电位与粒径
图5a给出大肠杆菌与不同铜含量Ce-MOF-808基样品的Zeta电位。随着铜掺入增加，样品的正Zeta电位增强，这有利于对带负电的溴离子产生更强静电吸引。图5b为DLS测得的Ce-MOF-808与Cu/Ce-MOF-808样品的平均粒径。
【数据】Zeta电位：随铜含量增加正电性增强；粒径：DLS测定（Ce-MOF-808及Cu/Ce-MOF-808系列）；测量温度：25 °C
3.6 Cu/Ce-MOF-808的卤过氧化物酶样活性
图6展示Cu/Ce-MOF-808的卤过氧化物酶样活性。图6a为Cu/Ce-MOF-808催化酚红溴化为溴酚蓝的示意图。图6b、c分别为中性与弱碱性条件下的时间依赖UV–vis光谱。图6d、e为OD432 nm与OD590 nm的时间依赖变化。结果表明，Cu/Ce-MOF-808能有效催化H2O2氧化Br-生成HOBr，且Cu/Ce-MOF-808(15%)在中性与弱碱性条件下均表现出最高的溴化活性。
【数据】反应体系：100 mg/L纳米酶、50 μmol/L酚红、25 mmol/L NH4Br、1 mmol/L H2O2；检测波长：432 nm、590 nm；pH条件：中性、弱碱性（8.0）；最优样品：Cu/Ce-MOF-808(15%)
3.7 Cu与Ce离子释放行为
图7为Ce-MOF-808与Cu/Ce-MOF-808纳米颗粒在3.5 wt% NaCl溶液中Cu离子（图7a）与Ce离子（图7b）的时间依赖释放曲线。结果显示铜离子释放量相对较低，表明溶解态Cu对杀菌活性的贡献有限，潜在环境影响较小。
【数据】介质：3.5 wt% NaCl；纳米颗粒浓度：50 mg/L；取样时间：0–21 d（0、1、4、8、12、24 h及2、4、7、10、14、21 d）；离心：10,000 rpm，10 min；过滤：0.22 μm；检测：ICP-MS
3.8 抗菌与抗生物膜性能
图8展示抗菌与抗生物膜性能。图8a为各处理组结晶紫染色后590 nm光密度值（OD590）：A1（细菌浓度10⁷ cells/mL）；A2（细菌悬液 + 25 mM NH4Br + 1 mM H2O2）；加入50 mg/L Ce-MOF-808（B1）、Cu/Ce-MOF-808(5%)（C1）、Cu/Ce-MOF-808(10%)及Cu/Ce-MOF-808(15%)等各组。结果表明Cu/Ce-MOF-808(15%)在H2O2与Br-存在下表现出最强的抗生物膜效果，抗菌率约83%。
【数据】细菌浓度：10⁷ cells/mL；NH4Br：25 mM；H2O2：1 mM；纳米酶浓度：50 mg/L；检测波长：590 nm；抗菌率：约83%（Cu/Ce-MOF-808(15%)）
3.9 3-oxo-C8-HSL氧化溴化产物分析
图9分析3-oxo-C8-HSL的氧化溴化产物。图9a为对应物I–III的质谱。图9b为3-oxo-C8-HSL（I）的亲电卤化反应过程，生成Br-3-oxo-C8-HSL（II）与Br2-3-oxo-C8-HSL（III）。图9c为氧化溴化反应混合物的总离子流色谱（LC-MS）。结果证实原位生成的HOBr可化学氧化群体感应信号分子3-oxo-C8-HSL，从而干扰群体感应。
【数据】信号分子：3-oxo-C8-HSL；产物：Br-3-oxo-C8-HSL（II）、Br2-3-oxo-C8-HSL（III）；分析手段：LC-MS、质谱；反应类型：亲电卤化
【数据】原文未详述
讨论与解读
本研究通过简便的一锅溶剂热法成功合成了一系列铜掺入水平可调的双金属Cu/Ce-MOF-808纳米酶。铜物种引入Ce-MOF骨架不仅提高了Ce3+/Ce4+比值与氧空位浓度，还增强了正Zeta电位，共同促进纳米酶–溶液界面对Br-的静电亲和。这一界面促进效应是显著提升Br-与H2O2催化转化为HOBr的关键因素——最优的Cu/Ce-MOF-808(15%)在中性与弱碱性海洋相关条件下均表现出最高溴化活性。原位生成的HOBr对大肠杆菌产生直接抗菌作用，并化学氧化群体感应信号分子3-oxo-C8-HSL，从而抑制生物膜形成。与先前报道的单金属Ce基纳米酶相比，双金属Cu/Ce-MOF-808体系表现出增强的催化与抗生物膜性能。该工作为合理设计高性能双金属MOF基纳米酶提供了可行策略，并凸显其在海洋环境中的应用潜力。
编译者解读：该研究的巧妙之处在于把"防污"落到界面催化而非离子释放上——铜的角色是调控Ce位点电子结构与表面电荷，而非充当杀生剂，这从释放实验得到印证，环境风险更低。局限在于：Cu的局部配位几何尚未解析，活性提升的构效关系仍偏宏观；抗生物膜评价主要在实验室模拟海水，真实海洋中卤离子浓度波动、蛋白吸附与长期稳定性仍需验证。对合成生物学而言，若能把该纳米酶与工程菌群的QS调控回路耦合，或可发展"催化+生物"协同防污体系。
参考来源
期刊：Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2027
DOI: 10.1016/j.colsurfa.2026.142197
DOI: 10.1016/j.colsurfa.2026.142197