基于Cu2(OH)3NO3纳米酶的多硫化物传感阵列

引言

在食品工业中，硫化物通常被用作防腐剂和风味调节剂,由于其抗氧化和防腐特性而广受应用。然而,长期过量摄入硫化物会导致糖尿病、阿尔茨海默氏病和肝硬化等一系列严重的健康问题。目前已经开发了各种检测硫化物的方法,包括色谱法、电化学法和化学发光法。尽管这些检测技术具有高灵敏度和高选择性,但也存在一些缺陷,如色谱法需要使用体积庞大的仪器,样品预处理繁琐,而电化学方法产生的信号容易受环境干扰。随着对比色法的关注日益增加,这归因于它们的诸多优势,如操作简单、可视化和现场检测的便利性。

近年来,基于纳米酶的比色传感器已被用于硫化物的检测。然而,传统的比色方法受制于其依赖于"锁定-键"特异性识别机制,只能检测单一硫化物]。事实上,在大多数情况下,通常存在多种硫化物的共存。因此,迫切需要开发简单、高效且能同时识别多种硫化物的方法。传感器阵列成功地解决了传统检测方法所面临的问题。传感器阵列的检测原理是利用多个感受单元通过交叉响应来识别不同的目标物。到目前为止,已有一些传感器阵列被用于硫化物的识别]。然而,大多数传感器阵列需要合成多种受体,这增加了检测成本和复杂性。

本研究巧妙利用了Cu₂(OH)₃NO₃纳米酶双酶样活性对不同硫化物的调控效应,构建了一种基于Cu₂(OH)₃NO₃过氧化物酶样活性和漆酶样活性的双通道传感器阵列,成功实现了6种硫化物(Na₂S、Na₂S₂O₃、Na₂SO₃、Na₂SO₄、NaHSO₃和Na₂S₂O₈)的识别。此外,该传感器阵列还可以区分和识别实际样品(葡萄酒、鸡蛋和牛奶)中的硫化物。这项研究在促进阵列单元的高效构建和提高复杂食品样品中硫化物的有效识别方面具有重要意义。

结果与讨论

1. Cu₂(OH)₃NO₃纳米酶的双酶样活性

通过简单有效的方法,成功合成了具有优异过氧化物酶样和漆酶样活性的Cu₂(OH)₃NO₃纳米片。Cu₂(OH)₃NO₃表现出明显的过氧化物酶样活性,能够催化TMB与H₂O₂的氧化反应,产生蓝色。同时,Cu₂(OH)₃NO₃还表现出漆酶样活性,能够催化2,4-二酚(2,4-DP)和4-氨基安替吡啉(4-AP)的氧化耦合反应,产生酒红色。这些结果都证实了Cu₂(OH)₃NO₃具有出色的双酶样催化活性。

2. Cu₂(OH)₃NO₃双酶样活性受硫化物的调控效应

研究了六种不同硫化物对Cu₂(OH)₃NO₃过氧化物酶样和漆酶样活性的调控效应。不同硫化物对Cu₂(OH)₃NO₃两种催化行为表现出显著差异。就过氧化物酶样活性而言,除Na₂S₂O₈外,其他硫化物的加入均会显著降低Cu₂(OH)₃NO₃-TMB体系的吸收值。而Na₂S₂O₈具有强氧化性,其加入会进一步增强TMB的氧化,从而导致体系吸收值的增加。对于漆酶样活性,除Na₂S₂O₈和Na₂S外,其他硫化物的加入均会显著降低Cu₂(OH)₃NO₃-2,4-二酚体系的吸收值。Na₂S₂O₈由于其强氧化性,加入后会进一步促进2,4-二酚的氧化,导致体系吸收值的增加。Na₂S则可以将Cu²⁺还原为Cu⁺,从而进一步增强漆酶样活性。XPS分析证实,Na₂S的加入导致Cu₂(OH)₃NO₃中Cu⁺的比例从14.0%增加到24.6%,并且检测到Cu-S键的形成。

3. 基于双酶样活性的硫化物传感阵列识别

基于Cu₂(OH)₃NO₃过氧化物酶样和漆酶样两种催化行为,构建了一个双通道传感器阵列。线性判别分析(LDA)清晰地将6种硫化物划分到不同的区域,实现了对100 μM硫化物的无误识别。随后将硫化物浓度降低至50 μM、10 μM和5 μM,阵列仍能精确地将不同硫化物分类,表明该传感器阵列可以区分5 μM浓度水平的硫化物。此外,该阵列还能够可靠地识别Na₂S和Na₂S₂O₈的二元和三元混合物。定量分析结果显示,Factor 1与Na₂S浓度(1-100 μM)和Na₂S₂O₈浓度(1-200 μM)呈现良好的线性相关性。

4. 实际样品中硫化物的识别分析

该Cu₂(OH)₃NO₃纳米酶传感阵列还成功应用于食品实际样品(葡萄酒、鸡蛋和牛奶)中硫化物的识别。在100倍稀释的牛奶、鸡蛋和葡萄酒样品中掺入50 μM的6种硫化物,传感阵列能够准确区分并识别它们。此外,该阵列还能够成功区分并区分这三种实际样品。受试特征曲线(ROC)分析结果表明,该阵列在实际样品硫化物检测中具有优异的性能。

结论

综上所述,本研究成功构建了一种基于Cu₂(OH)₃NO₃纳米酶双酶样活性的传感器阵列,实现了对多种硫化物的快速、高效和可视化识别,为复杂食品样品中硫化物的检测提供了新的策略。该阵列简单易构建,具有良好的选择性和灵敏度,为食品工业中硫化物的测定提供了一种新颖可靠的方法。

参考文献

Jing, W.; Wang, Y.; Shi, Q.; Yang, Y.; Dai, Y.; Liu, F., Cu₂(OH)₃NO₃ nanozyme sensor array for the discrimination of multiple sulfides in food. Biosens. Bioelectron. 2024, 262, 116529.