传统生物检测技术（如酶促反应或核酸扩增）在低温环境下往往因活性大幅下降而导致灵敏度显著降低。这种局限性在冷链运输、极地科研等领域尤为突出，亟需开发能够在低温条件下稳定运行的高效检测工具。尽管少量耐寒纳米酶已被报道，但其种类有限，应用场景较为单一，难以满足多样化需求。因此，设计并开发高效、低成本的冷适应纳米酶，并深入探索其在低温生物检测领域的应用具有重要意义。为此，本研究通过修饰钙钛矿氢氧化物，构建了一种新的冷适应性纳米酶，它具有优异的氧化酶样活性，并且在0°C时仍能保持超过90%的催化功能。随后，研究者利用该纳米酶建立一个低温适应性生物传感器，并系统地比较了其在室温和0°C下对多种分析物（离子、小分子、蛋白、细胞裂解液以及气体）的检测能力（图1）。
图1 冷适应纳米酶的制备示意图及其在RT和0℃下对多种分析物的生物传感性能探索
图2 元素分布、氧空位及价态分析
研究者通过XPS、ICP-MS和BET测试发现，材料中锰含量的增加、氧空位的引入以及四价锰的生成可能是其“适冷”催化活性的原因（图2）。采用密度泛函理论（DFT）计算，深入研究了材料在蚀刻前后表面对O2的催化激活以及对TMB的类氧化酶活性机制。具体而言，研究以无缺陷的MnSn(OH)6（具有{100}晶面）和含锡空位的MnSnV(OH)6为模型，分别代表蚀刻前和蚀刻后的材料表面，通过图3明确了这两种材料催化TMB的O2激活机制。基于反应途径的吉布斯自由能（∆G, 单位：eV）曲线的势能面分析表明，*OOH中O-O键的断裂是整个反应的速率决定步骤。针对MnSn(OH)6，*OOH激活的能垒为1.23 eV，而在蚀刻后的MnSnV(OH)6中，这一激活能垒显著降低至0.76 eV，表明蚀刻过程显著提高了材料的氧化酶活性。此外，根据热力学公式∆G = ∆U - T∆S的关系计算，在低熵条件下（S = 44.320 J/(mol·K)），273.15 K时蚀刻后MnSnV(OH)6的激活能垒仅为0.78 eV。这一结果很好地解释了MnSnV(OH)6即使在低温环境下仍能保持高催化效率，从而证实了其优异的冷适应催化能力。
图3 DFT理论模拟催化机制与能垒优化
值得一提的是，基于该纳米酶构筑的比色探针在0°C下对S2−、AA、ALP和细胞裂解液中GSH的检测灵敏度接近其在室温下的水平（图4）。此外，对于ALP的检测，该探针在0°C下的灵敏度优于商业ALP试剂盒。
图4 纳米酶探针低温下对S²⁻/AA/ALP的检测性能
最后，该研究团队成功开发了一款基于冷适应纳米酶的纸基比色传感器，用于低温环境下硫化氢（H2S）气体的检测——这一气体是判断肉类新鲜度的重要指标（图5）。该传感器通过将冷适应纳米酶负载于滤纸上，不仅能够检测化学反应法（Na2S与HCl反应）生成的H2S气体，还可监测自然腐败肉类释放的H2S气体。在室温及0°C环境下，传感器能够通过肉眼观察颜色变化实现快速判断，同时可借助智能手机的RGB色彩分析实现H2S含量的定量检测。
图5 纸基传感器在不同温度下的H2S气体检测性能
该研究以“Engineering Perovskite Hydroxide as a Cold-Adapted Oxidase Mimic for Construction of the Robust Low-Temperature Adaptive Biosensors”为题发表中科院一区期刊ACS Sensors。徐州医科大学青年教师刘雨风、研究生张婧、江西师范大学研究生万雨昕为共同第一作者，江西师范大学高雪皎副教授、南京大学魏辉教授、徐州医科大学杨冬芝教授为通讯作者。
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssensors.4c02848
