基于FeCDs的腫瘤細(xì)胞熒光成像和過氧化氫的比色測定

摘要：以檸檬酸鐵和聚乙烯亞胺（polyethyleneimine，PEI）為初始原料，采用微波水熱法，快速合成了具有良好光致發(fā)光性能的鐵摻雜碳點(diǎn)（Fe doped carbon dots，F(xiàn)eCDs）.研究表明：在較寬的pH范圍（pH=3～9）、較高的離子強(qiáng)度和較長的儲存時間下，F(xiàn)eCDs表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，易穿透細(xì)胞膜，并在細(xì)胞內(nèi)聚集，可作為肺癌A549細(xì)胞生物成像的有效探針；FeCDs具有優(yōu)異的類過氧化物酶（peroxidaselike，POD）活性，能夠高效催化過氧化氫（H2O2）對3，3′，5，5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）的氧化，并生成藍(lán)色氧化產(chǎn)物，基于此建立了H2O2比色測定方法；在最佳反應(yīng)條件下，H2O2濃度為0～100.00 μmol/L時，H2O2與反應(yīng)體系的吸光度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，H2O2檢出限低至0.13 μmol/L，說明該比色測定方法對H2O2的檢測表現(xiàn)出較高的靈敏度和選擇性；將該比色測定方法用于A549細(xì)胞內(nèi)H2O2的測定，加樣回收率高達(dá)98.4%～102.8%，驗(yàn)證了該方法的可靠性.

關(guān)鍵詞： "鐵摻雜碳點(diǎn)； 熒光探針； 過氧化氫； 過氧化物納米酶； 比色測定

中圖分類號： O657.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： "A文章編號： ""1671-7775（2024）06-0732-07

引文格式： "李瀟然，吳春燕，李峰，等. 基于FeCDs的腫瘤細(xì)胞熒光成像和過氧化氫的比色測定[J].江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，45（6）：732-738.

Fluorescence bioimaging and colorimetric detection of

H2O2 in tumor cells based on FeCDs nanozymes

LI Xiaoran1， WU Chunyan1， LI Feng1， PANG Zhonghao1， XU Xiuquan2

（1. Affiliated Hospital of Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212001， China; 2. College of Traditional Chinese Medicine， Bozhou University， Bozhou， Anhui 236800， China）

Abstract： The novel Fe doped carbon dots （FeCDs） with good photoluminescent properties were rapidly synthesized by microwaveassisted method with ferric citrate and polyethyleneimine as raw materials. The results show that the FeCDs have good stability under the conditions of broad pH range from 3 to 9， high ion strengths and long storage time. The prepared FeCDs can easily penetrate and accumulate into the cell， which can be used as effective probe for biological imaging of A549 cells. The FeCDs display distinct peroxidaselike （POD） activities， which is evidenced by the catalyzed oxidation of 3，3′，5，5′-tetramethylbenzidine （TMB） into blue oxidized products in the presence of H2O2. A colorimetric method for the determination of H2O2 is established based on the results. Under optimal reaction conditions， the colorimetric method for H2O2 detection is constructed with good linear relationship from 0 to100.00 μmol/L and detection limit down to 0.13 μmol/L. The highly selective and ultrasensitive method is successfully applied to detect H2O2 inside A549 tumor cells with good recoveries of 98.4%-102.8%， which can verify the proposed method.

Key words： "Fe doped carbon dot; fluorescent probe; hydrogen peroxide; peroxidase mimetic nanozyme; colorimetric detection

過氧化氫（H2O2）是生物體中細(xì)胞代謝產(chǎn)生的常見活性氧，在刺激細(xì)胞增殖、分化和遷移中起著至關(guān)重要的作用.但是過量的H2O2能夠破壞細(xì)胞內(nèi)的氧化還原穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)、DNA分子的氧化損傷以及細(xì)胞器結(jié)構(gòu)的功能障礙，誘發(fā)多種疾病，如心腦血管功能障礙、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、糖尿病、帕金森病、阿爾茨海默病等，甚至誘發(fā)腫瘤的產(chǎn)生[1-2].因此，迫切需要開發(fā)一種高效、準(zhǔn)確的檢測方法，用于生物體內(nèi)H2O2的超靈敏檢測.

目前，已有色譜、質(zhì)譜、電化學(xué)、化學(xué)發(fā)光、比色法等[3]多種分析方法用于H2O2的定量檢測.相比其他方法需要昂貴的儀器設(shè)備和專業(yè)人員操作，且具有耗時長等固有缺陷，比色法操作簡單，成本低，靈敏度高，且無需復(fù)雜儀器即可進(jìn)行可視化檢測，因而得到廣泛應(yīng)用[4].將比色方法應(yīng)用于生物體內(nèi)H2O2的高效定量檢測的研究已受到業(yè)內(nèi)關(guān)注.

自2007年發(fā)現(xiàn)具有類過氧化物酶（peroxidaselike， POD）活性的納米Fe3O4以來，許多具有類酶催化活性的納米材料，諸如納米酶（nanozyme）已被廣泛應(yīng)用于H2O2及相關(guān)生物活性分子的比色檢測[5].具有納米酶活性的碳點(diǎn)（carbon dots， CDs）作為一種新型的熒光納米材料，由于其制備方法簡單，容易操作，可將其進(jìn)行表面功能化操作，且制備成本低，具有穩(wěn)定性高和生物相容性良好，因而得到廣泛關(guān)注[6].另外，通過過渡金屬元素的摻雜，能夠顯著提高其類酶活性，明顯提高檢測的靈敏度.該類型碳點(diǎn)還具有出色的光致發(fā)光特性、可調(diào)節(jié)的發(fā)射波長和低生物毒性等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于光學(xué)生物成像等領(lǐng)域，成為半導(dǎo)體量子點(diǎn)潛在的替代品.

腫瘤細(xì)胞的顯著特征是細(xì)胞內(nèi)能量代謝重編程，即稱之為“Warburg效應(yīng)”的糖酵解供能[7].這種異常代謝方式所導(dǎo)致的細(xì)胞畸形、高H2O2濃度、低pH值已成為腫瘤細(xì)胞微環(huán)境的標(biāo)志.可見，開發(fā)兼具良好穿透性能，能高效檢測細(xì)胞內(nèi)H2O2濃度的CDs，具有重要的臨床意義.

為此，采用操作簡便的微波水熱法，制備具有良好的光致發(fā)光性能和類POD活性的鐵摻雜碳點(diǎn)（FeCDs），并將其用于肺癌A549細(xì)胞內(nèi)H2O2的比色分析和熒光成像，以驗(yàn)證該方法的可靠性.

1試驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

儀器包括D8 Advance X射線衍射儀（德國布魯克公司）、Nexus 470傅里葉變換紅外光譜儀（美國賽默飛世爾科技有限公司）、JEM 2100plus透射電子顯微鏡（日本JEOL公司）、ESCALAB250XI X射線光電子能譜儀（美國賽默飛世爾科技有限公司）、F4500熒光分光光度計（日本日立公司）和UV3600紫外-可見光分光光度計（日本島津公司）.

試劑包括檸檬酸鐵、聚乙烯亞胺（polyethyleneimine，PEI）（M. W. 600）、H2O2和3，3′，5，5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB），購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，均為分析純.試驗(yàn)用水為超純水（電阻率gt;18.2 MΩ·cm）.

1.2FeCDs的快速合成

采用微波水熱法制備FeCDs[8].分別稱取0.6 g的檸檬酸鐵和PEI，置于25 mL燒杯中，加入5 mL超純水使其溶解.將該液體轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜置于微波反應(yīng)器，在功率為700 W的條件下反應(yīng)5 min.反應(yīng)釜中的溶液在10 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心10 min，以去除不溶性沉淀.除去沉淀，獲得澄清的褐色上清溶液.將該褐色溶液用截留相對分子質(zhì)量為3 000的透析袋于超純水中透析24 h，除去未完全反應(yīng)的檸檬酸鐵和PEI.最后，將透析后濾液進(jìn)行冷凍、干燥，得到FeCDs，并被表征，保存在4 ℃的冰箱中，將其備用.

1.3FeCDs光學(xué)性質(zhì)與細(xì)胞熒光成像

采用熒光光譜和紫外-可見吸收光譜表征FeCDs的光學(xué)性質(zhì)，并分析其在不同pH、NaCl濃度及儲存時間下的熒光穩(wěn)定性.

以肺癌A549細(xì)胞為模型，分析FeCDs細(xì)胞熒光成像性能.在溫度為37.5 ℃、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的培養(yǎng)條件下，將濃度為104 mL-1的A549細(xì)胞與FeCDs一起孵育于共聚焦專用培養(yǎng)皿中.培養(yǎng)皿中添加了10%胎牛血清和1%青霉素-鏈霉素的改良依格爾培養(yǎng)基（dulbecco′s modification of Eagle′s medium，DMEM）.分別培養(yǎng)4、8 h后，用濃度為0.01 mol/L、pH為7.4的磷酸緩沖鹽溶液（phosphate buffer saline，PBS），輕輕洗滌培養(yǎng)皿3次，去除未被吸收的FeCDs.最后在共聚焦顯微鏡上，采用波長為360 nm的激發(fā)光來激發(fā)，進(jìn)行熒光成像分析.

1.4FeCDs的類POD活性測定

在5 mL離心管中，依次加入FeCDs（最終質(zhì)量濃度為2.5～25.0 μg/mL）、TMB（最終濃度0.5 mmol/L）和H2O2（最終濃度0.10 mmol/L）.再補(bǔ)加濃度為0.2 mmol/L、pH=3.5～6.0的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液，最終體積為3.0 mL.在一定溫度下孵育至規(guī)定時間，于TMB氧化產(chǎn)物的最大吸收波長為652 nm處測定反應(yīng)溶液的吸光度，比較不同反應(yīng)條件下FeCDs的類POD活性.

1.5H2O2濃度的測定

將FeCDs（最終質(zhì)量濃度為10.0 μg/mL）和TMB（最終濃度為0.5 mmol/L）與濃度為0.2 mmol/L、pH=4.0的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液充分混合.再分別加入0.1 mL不同濃度的H2O2或樣品溶液，在35 ℃溫度下振蕩反應(yīng)30 min，于652 nm處測定反應(yīng)液的吸光度.

1.6細(xì)胞的PMA活化處理

將未經(jīng)佛波酯（phorbol 12myristate 13acetate，PMA）刺激的肺癌A549細(xì)胞作為陰性對照組.調(diào)整A549細(xì)胞濃度為106 mL-1，加入用pH=7.4的TrisHCl緩沖液配制的PMA，直至PMA最終質(zhì)量濃度為0.1 μg/mL.孵育12 h后，收集A549細(xì)胞，并將其懸浮在pH=7.4的TrisHCl緩沖液中，超聲破碎10 min.最后進(jìn)行離心分離，取上清液，測定細(xì)胞內(nèi)的H2O2濃度.

2結(jié)果與討論

2.1FeCDs的表征

采用X射線衍射（XRD）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、高分辨透射電鏡（HRTEM）和X射線光電子能譜（XPS），對FeCDs的形態(tài)結(jié)構(gòu)、表面功能基團(tuán)和元素價態(tài)進(jìn)行分析.

圖1為FeCDs的XRD和FTIR譜圖.XRD譜圖（圖1a）中，F(xiàn)eCDs呈現(xiàn)出中心位于29.5°的寬衍射峰，這與標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS NO.656212）石墨烯的（002）晶面基本保持一致，說明FeCDs為非結(jié)晶的石墨狀碳基納米材料[9].FTIR譜圖（圖1b）中，在3 456 cm-1處的吸收峰對應(yīng)羧基和氨基中OH/NH的伸縮振動；2 944 cm-1處的吸收峰對應(yīng)CH的伸縮振動；1 724 cm-1處的特征吸收峰表明CO的存在；位于1 596 cm-1和1 398 cm-1處吸收峰均對應(yīng)CN的伸縮振動；1 127 cm-1處吸收峰對應(yīng)CO的伸縮振動[10].綜上，制備的FeCDs表面具有豐富的OH、CO、COOH和NH等功能基團(tuán)，能有效吸附H2O2和TMB，促進(jìn)了酶促顯色反應(yīng)的進(jìn)行.

圖2為FeCDs的HRTEM圖像和粒徑分布柱狀圖.

由HRTEM圖像（圖2a）可知，F(xiàn)eCDs為大小均勻、高度分散的圓球狀顆粒.由FeCDs的粒徑分布柱狀圖（圖2b）可知，粒徑為2～9 nm，平均粒徑為（5.64±0.36）nm.

通過X射線光電子能譜（XPS）對鐵摻雜碳點(diǎn)FeCDs表面元素的組成和價態(tài)進(jìn)行分析.圖3為FeCDs的XPS全譜掃描圖和Fe 2p高分辨譜圖.

在圖3a的XPS全譜掃描中，可清晰發(fā)現(xiàn)FeCDs表面存在C、N、O、Fe等4種元素.由圖3b中的Fe 2p高分辨譜圖可知，通過對Fe進(jìn)行精細(xì)分峰擬合，得到4個峰，即709.48、713.46、723.72和731.75 eV，其中709.48 eV和723.72 eV來源于Fe2+，713.46 eV和731.75 eV來源于Fe3+[11].FeCDs中同時存在Fe2+和Fe3+，因而能夠加速酶促顯色反應(yīng)過程中的電子傳遞與循環(huán)，顯著提高FeCDs的類POD活性.

2.2FeCDs的光學(xué)特性

圖4為FeCDs的紫外-可見吸收光譜圖、激發(fā)/發(fā)射光譜圖和不同激發(fā)波長下熒光光譜圖.其中，λx，b和λm，b分別為最佳的激發(fā)波長和發(fā)射波長，λx和λm，max分別為激發(fā)波長和最大發(fā)射波長.圖4a中，F(xiàn)eCDs在252 nm處有最大吸收峰，該吸收峰來源于CC雙鍵的ππ*躍遷[12].圖4b中，激發(fā)波長為360 nm時，F(xiàn)eCDs在436 nm處有最強(qiáng)熒光發(fā)射，且具有一定激發(fā)依賴性的熒光特征，表現(xiàn)為隨激發(fā)波長增加，發(fā)射波長逐漸紅移（見圖4c）.可能是由于FeCDs表面豐富的OH含有未共用電子，因此其pπ共軛效應(yīng)誘導(dǎo)廣泛電子共軛體系的形成[13].

考察了pH、離子強(qiáng)度和儲存時間對FeCDs熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖5所示.

圖5a中，體系緩沖液的pH由3.0逐漸增加到9.0，F(xiàn)eCDs的熒光強(qiáng)度基本保持不變，表明FeCDs對pH的改變不敏感，可應(yīng)用于較寬pH范圍.圖5b中，當(dāng)體系中NaCl濃度增加到1.0 mmol/L時，F(xiàn)eCDs熒光強(qiáng)度未發(fā)生明顯改變，說明FeCDs在離子強(qiáng)度較高的環(huán)境下仍能夠保持良好的穩(wěn)定性.圖5c中，將FeCDs溶液在室溫下儲存1星期，其熒光強(qiáng)度幾乎沒有變化.綜上，制備的FeCDs在不同pH、氯化鈉濃度及儲存時間下均具有優(yōu)異的熒光穩(wěn)定性.

2.3FeCDs細(xì)胞成像性能

以肺癌A549細(xì)胞作為模型細(xì)胞，探究FeCDs在腫瘤細(xì)胞熒光成像領(lǐng)域的應(yīng)用前景.圖6為FeCDs孵育的A549人肺癌細(xì)胞的熒光照片.圖6a中，共聚焦顯微鏡明場下，觀察到A549細(xì)胞均勻分布于視野中.FeCDs與A549細(xì)胞共孵育后，在波長為360 nm的紫外光激發(fā)下，A549細(xì)胞顯示出明亮的藍(lán)色熒光，表明FeCDs可以較容易地透過細(xì)胞膜，通過胞吞作用被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi).

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞熒光強(qiáng)度并未隨孵育時間的延長而出現(xiàn)明顯衰減現(xiàn)象（見圖6b和圖6c），說明FeCDs具有良好的光穩(wěn)定性和細(xì)胞成像能力，具有成為生物成像中有效熒光標(biāo)記的潛力.

2.4FeCDs的類POD活性條件優(yōu)化

在固定反應(yīng)體系中，3，3′，5，5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）和H2O2濃度均設(shè)定為200.00 μmol/L.在此條件下，分析FeCDs質(zhì)量濃度、反應(yīng)體系pH、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度對FeCDs類POD活性的影響，結(jié)果如圖7所示.反應(yīng)體系在波長為652 nm處的吸光度越高，說明體系中3，3′，5，5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）被氧化所產(chǎn)生的藍(lán)色氧化產(chǎn)物越多，進(jìn)而證實(shí)該反應(yīng)條件下FeCDs的類POD活性越強(qiáng)，也更容易催化H2O2對TMB 的氧化反應(yīng).

FeCDs具有較強(qiáng)的類POD活性，能夠在較低的FeCDs質(zhì)量濃度（10.0 μg/mL）下對H2O2氧化TMB反應(yīng)進(jìn)行催化，表現(xiàn)為TMB的藍(lán)色氧化產(chǎn)物在652 nm處的吸光度急劇升高.繼續(xù)增加FeCDs質(zhì)量濃度，反應(yīng)體系吸光度幾乎沒有改變，說明FeCDs質(zhì)量濃度為10.0 μg/mL時能夠?qū)⒎磻?yīng)體系中H2O2徹底催化分解（見圖7a）.由酶促顯色反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著反應(yīng)體系pH的增加，F(xiàn)eCDs類POD活性先升高、后降低，當(dāng)pH=4.0時，達(dá)到最大值（見圖7b）.這與大多數(shù)研究結(jié)果一致[14]，因此，在隨后的試驗(yàn)中，緩沖溶液pH均設(shè)定為4.0.隨著反應(yīng)時間的延長，類POD活性顯著提高，20 min后，體系吸光度增加緩慢，說明酶促顯色反應(yīng)基本達(dá)到平衡（見圖7c）.改變體系反應(yīng)溫度，在較寬溫度范圍（15～55 ℃）內(nèi)，F(xiàn)eCDs均保持良好的類POD活性，溫度為35 ℃時，反應(yīng)體系吸光度達(dá)到峰值（見圖7d）.之后過高溫度導(dǎo)致反應(yīng)體系吸光度急劇降低，這可能是由體系中H2O2遇熱分解造成的[15].

綜上，選擇FeCDs質(zhì)量濃度為10.0 μg/mL、pH為4.0、反應(yīng)時間為20 min及反應(yīng)溫度為35 ℃作為后續(xù)H2O2測定試驗(yàn)的最佳酶促顯色反應(yīng)條件.

2.5H2O2檢測方法建立及選擇性分析

2.5.1方法的建立

在最佳反應(yīng)條件下，分析了FeCDsTMB體系對不同濃度H2O2的響應(yīng)能力.圖8為不同H2O2濃度c下FeCDsTMB體系的可見吸收光譜.圖9為H2O2濃度與吸光度間的線性關(guān)系曲線.

由圖8可知，隨著H2O2濃度增加，體系在652 nm處吸光度峰值也隨之增大.由圖9可知，H2O2濃度與吸光度呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)，回歸方程為

A=0.012 9C+0.120 0，R2=0.999 2，（1）

式中： A為不同濃度H2O2作用下反應(yīng)體系在652 nm處的吸光度；C為加入的H2O2濃度；R2為回歸線性方程的相關(guān)系數(shù).

由式（1）計算得到H2O2的檢出限（LOD）為0.13 μmol/L.與文獻(xiàn)[16]中使用 FeN4單原子納米酶檢測 H2O2的方法相比，F(xiàn)eCDs納米酶比色法對H2O2濃度的測定具有較寬的濃度檢測范圍及更低的檢出限（FeN4 納米酶的LOD為0.33 μmol/L）.綜上，利用FeCDs納米酶比色法對H2O2進(jìn)行有效檢測具有巨大的應(yīng)用潛力.

2.5.2選擇性分析

為了分析該比色方法對H2O2的選擇性，對細(xì)胞內(nèi)及培養(yǎng)基中可能出現(xiàn)的干擾組分對H2O2測定的影響進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示.

在652 nm處，當(dāng)細(xì)胞中的Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Zn2+的濃度均為500 μmol/L，葡萄糖（Glu）和牛血清白蛋白（BSA）的濃度均為100 μmol/L時，反應(yīng)體系干擾物質(zhì)的吸光度與空白對照相基本相同，說明這些干擾物質(zhì)均不能激活FeCDs對TMB進(jìn)行氧化變色.當(dāng)體系中加入H2O2時，TMB被氧化變色，表現(xiàn)為在652 nm處吸光度顯著增大.因此，基于FeCDs納米酶比色法被用于測定細(xì)胞內(nèi)的H2O2時，表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性.

2.6細(xì)胞內(nèi)H2O2濃度的檢測

選擇肺癌A549細(xì)胞為模型細(xì)胞，測定PMA預(yù)處理前、后細(xì)胞內(nèi)H2O2的濃度，結(jié)果見表1.

PMA預(yù)處理前，A549細(xì)胞中檢測到較低濃度的H2O2，平均值為2.30 μmol/L.經(jīng)PMA預(yù)處理后，細(xì)胞內(nèi)的H2O2濃度顯著提高，達(dá)到32.60 μmol/L.處理組和未處理組分別加入25.00、50.00 μmol/L的H2O2，H2O2的加樣回收率為98.4%～102.8%.表明基于FeCDs納米酶比色法具有較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，用于測定細(xì)胞內(nèi)的H2O2濃度具有一定的可行性.

3結(jié)論

1） 采用微波水熱法快速制備了FeCDs.FeCDs顯示出優(yōu)異的熒光特性，并在不同pH、較強(qiáng)的離子強(qiáng)度和較長的儲存時間下，保持了較好的穩(wěn)定性，可作為光學(xué)探針用于肺癌A549細(xì)胞的熒光標(biāo)記與生物成像.

2） FeCDs具有顯著的類POD活性，能夠迅速催化H2O2對TMB的氧化，并生成藍(lán)色產(chǎn)物，基于此建立了簡便、快捷的H2O2比色測定方法.該方法具有較寬的濃度檢測范圍和低檢出限的優(yōu)點(diǎn)，適用于腫瘤細(xì)胞內(nèi)H2O2的檢測.

3） 基于FeCDs納米酶比色法具有較高的靈敏度和選擇性，充分展示了該類型碳點(diǎn)在生物成像、可視化分析等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值.

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（責(zé)任編輯趙鷗）

收稿日期： ""2024-01-26

基金項(xiàng)目： "江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院高級人才計劃（JDFYRC201700）； 江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院“北固英才”項(xiàng)目 （2022）; 安徽省高等學(xué)?？茖W(xué)研究重大項(xiàng)目 （2023AH040316）

作者簡介： "李瀟然（1997—），男，江蘇淮安人，碩士，住院醫(yī)師（J18852866858@163.com），主要從事心胸外科腫瘤的診斷與治療研究.

徐秀泉（1978—），男，山東濱州人，博士，副教授（通信作者，xxq781026@ujs.edu.cn），主要從事納米材料合成與傳感研究.