基于氧化酶样碳点纳米酶驱动的竞争效应的智能现场双模式测定氨基甲酸乙酯的分析仪器

摘要：有毒致癌物氨基甲酸乙酯(EC)在环境和食品中的残留严重威胁着公众健康安全。本文报道了一种基于双金属锰和铈共掺杂的氧化酶样荧光碳点纳米酶(Ce&MnCDs)的竞争效应驱动的智能现场双模式检测平台,可实现对EC残留的快速定量分析。Ce&MnCDs具有出色的氧化酶样活性,能够氧化无荧光的邻苯二胺(OPD)为发射黄色荧光的2,3-二氨基苯并噻唑(DAP),同时导致Ce&MnCDs本征蓝色荧光的减弱,从而产生荧光比率信号。与此同时,这一氧化反应还会引发从无色到深黄色的肉眼可见的颜色变化,形成双模式输出。然而,来源于乙酰胆碱酯酶(AChE)催化乙酰硫胆碱(ATChC)生成的硫胆碱(TCh)能有效抑制Ce&MnCDs的氧化酶样活性,从而阻碍上述荧光比率和颜色变化信号。值得注意的是,溴化合物(Br-EC)能够抑制AChE活性,从而通过一种竞争效应重新激发Ce&MnCDs的氧化酶样活性,恢复双模式光学信号,最终实现对EC残留的智能定量检测。配合基于智能手机的便携式分析平台,该方法不仅能实现对EC残留的现场快速定性分析,还可精准定量检测,为保护环境健康和公众安全提供新的支撑手段。

关键词：氨基甲酸乙酯、氧化酶样活性、双模式分析、竞争效应、碳点

引言

氨基甲酸乙酯(ethyl carbamate, EC)作为一种2A类致癌物质,广泛存在于污染的空气和发酵食品中。长期接触EC会对生物体造成严重危害,如肺肿瘤、淋巴瘤、肝癌、皮肤癌等,因此EC残留污染问题一直是环境污染分析领域的研究热点。为满足现场快速检测EC残留的需求,开发一种集成荧光和肉眼颜色双模式分析的智能分析仪很有必要。

近年来,人工酶纳米酶因其优于天然酶的催化活性、稳定性和成本效益,被广泛应用于环境和食品污染物的安全分析。其中基于氧化酶样纳米酶的光学检测方法尤其引人注目,因其主要依赖于超氧自由基的生成和释放来诱导光学信号变化,避免了如过氧化物酶样纳米酶所涉及的不稳定和有毒的H₂O₂。然而,迄今尚未有基于氧化酶样纳米酶的双模式便携式智能现场分析EC的报道。

本文开发了一种基于双金属锰和铈共掺杂的氧化酶样荧光碳点纳米酶(Ce&MnCDs)的智能现场双模式分析EC的方法。Ce&MnCDs具有出色的氧化酶样活性,能够氧化无荧光的邻苯二胺(OPD)为发射黄色荧光的2,3-二氨基苯并噻唑(DAP),同时导致Ce&MnCDs本征蓝色荧光的减弱,从而产生典型的荧光比率信号。与此同时,这一氧化反应还会引发从无色到深黄色的肉眼可见的颜色变化,形成另一种颜色信号。然而,来源于乙酰胆碱酯酶(AChE)催化乙酰硫胆碱(ATChC)生成的硫胆碱(TCh)能有效抑制Ce&MnCDs的氧化酶样活性,从而阻碍上述荧光比率和颜色变化信号。值得注意的是,溴化合物(Br-EC)能够抑制AChE活性,从而通过一种竞争效应重新激发Ce&MnCDs的氧化酶样活性,恢复双模式光学信号,最终实现对EC残留的智能定量检测。配合基于智能手机的便携式分析平台,该方法不仅能实现对EC残留的现场快速定性分析,还可精准定量检测,为保护环境健康和公众安全提供新的支撑手段。

结果与讨论

1. Ce&MnCDs的合成与表征

采用柠檬酸、硫酸锰和三硝酸铈为前驱体,通过一步水热法成功制备了Ce和Mn共掺杂的碳点纳米酶(Ce&MnCDs)。TEM和DLS分析表明,制备的Ce&MnCDs呈球形纳米颗粒,粒径约6 nm。XPS结果证实,Ce和Mn元素掺杂进入了碳点结构。Ce&MnCDs具有良好的荧光性能,在365 nm激发下发射蓝色荧光,可用于光学分析。

2. Ce&MnCDs的氧化酶样活性

Ce&MnCDs表现出显著的氧化酶样活性,能够有效催化无色OPD氧化为发射黄色荧光的DAP产物。动力学研究表明,Ce&MnCDs的Vmax和Km分别为0.97 μmol/min和0.59 mM,优于单一掺杂的CDs,说明Ce和Mn共同掺杂提高了其催化效率。

3. 基于智能手机的现场双模式检测平台

借助Br-EC对AChE的抑制作用,Ce&MnCDs的氧化酶样活性得以重新激发,从而引发与EC浓度相关的荧光比率和肉眼颜色双重信号变化。将这些光学信号转换为基于智能手机的灰度值分析,可实现对EC残留的快速定量检测,检出限达1.66 μg/mL,满足实际样品分析的要求。

4. 实际样品中EC的现场智能分析

该双模式分析方法成功应用于白酒、红酒和鸡尾酒等实际食品样品中EC的检测,结果与GC-MS法高度相关,验证了该方法的实用性和准确性。

结论

本文构建了一种基于双金属掺杂的碳点纳米酶驱动的智能现场双模式分析平台,实现了对EC残留的快速定性和定量监测。该方法利用Ce&MnCDs出色的氧化酶活性,通过Br-EC对AChE的抑制作用来调控Ce&MnCDs的催化活性,从而产生与EC浓度相关的荧光比率和肉眼颜色变化。结合基于智能手机的图像分析,该方法不仅具有高灵敏度、高准确性和快速响应等优点,还具备现场便携性,为维护环境健康和公众安全提供了新的分析手段。

参考文献

Wu, G.; Qiu, H.; Du, C.; Zheng, Z.; Liu, Q.; Wang, Z.; Luo, P.; Shen, Y., Intelligent onsite dual-modal assay based on oxidase-like fluorescence carbon dots-driven competitive effect for ethyl carbamate detection. J. Hazard. Mater. 2024, 474, 134707.