微生物纳米酶引领食品检测新革命

原创

来源：曹璐璐

2024-12-20 19:32:03

94次浏览

核心提示：杂原子掺杂调控了纳米酶的电子结构,大幅提升了其过氧化物酶活性,使其能够通过独特的色彩响应识别多种有毒物质,为食品安全和环境监测带来新希望。

1. 引言

食品安全和环境监测中的污染问题一直是人类社会关注的热点问题。其中,霉菌毒素和重金属离子是两类常见的主要污染物,它们都对人类健康和生态环境造成严重威胁。霉菌毒素是由真菌代谢产生的二级代谢产物,可以累积在人畜体内器官和组织中,导致中毒和癌症等疾病。重金属离子则具有高毒性和生物富集性,污染水体和农作物后会进入人体造成危害。

目前,检测霉菌毒素和金属离子的常规方法主要包括细胞培养、色谱分析、免疫分析等,尽管这些方法取得了显著进步,但仍存在成本高、操作繁琐、无法实现高通量检测等缺点。相比之下,阵列传感技术(如电子舌/鼻)凭借其独特的"指纹式"响应模式,可实现多组分快速识别与定量。但这些传感阵列鲜有被用于广泛识别霉菌毒素和金属离子的报道。

最近,单原子纳米酶(SAzymes)因其优异的催化性能和原子利用率而引起广泛关注。虽然在生物传感等领域取得了长足进步,但设计具有满意催化性能的SAzymes和构建高通量传感阵列仍是一大挑战。通过杂原子掺杂可以调控SAzymes的电子结构,从而提高其催化活性。本文中,设计并制备了具有Fe-N₃PS活性位点的N、P、S 共掺杂的空心碳纳米笼(Fe-N₃PS/HC)单原子纳米酶,并利用其独特的过氧化物酶样活性构建了三通道色彩识别阵列,实现了五种霉菌毒素和十种金属离子的高通量、广谱识别。

方案一使用过氧化物酶样Fe-N₃PS/HC进行真菌毒素和金属离子通用鉴定的三通道比色传感器阵列示意图

2. 结果与讨论

I. Fe-N₃PS/HC单原子纳米酶的制备与表征

采用两步高温热解策略制备了Fe-N₃PS/HC单原子纳米酶。首先,将高交联的聚(环三磷腈丙烯酸酰胺酷)均匀包覆在ZIF-8表面形成ZIF-8@PZS核壳结构。然后,在氮气保护下将其在950℃煅烧,得到N、P、S共掺杂的空心碳纳米笼(NPS/HC)。接下来,通过引入Fe(NO₃)₃并进一步煅烧得到最终产品Fe-N₃PS/HC。

扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)图像显示,Fe-N₃PS/HC具有空心八面体形貌,壳层厚度约为20纳米。能量色散X射线(EDX)成像揭示了Fe、C、N、P和S元素在整个样品中的均匀分布。此外,通过高角度环形暗场扫描透射电镜(AC HAADF-STEM)观察到了Fe单原子级别的分散。

X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构(FT-EXAFS)和密度泛函理论(DFT)计算结果进一步证实,Fe原子在NPS/HC载体上以Fe-N₃PS配位结构的形式高度分散存在,没有检测到Fe纳米颗粒。定量EXAFS曲线拟合分析表明,Fe-N、Fe-P和Fe-S配位数分别为3.2、0.7和0.8,键长分别为1.95、2.23和2.45Å,进一步证实了Fe-N3PS单原子活性位点的存在。

II. Fe-N₃PS/HC单原子纳米酶的过氧化物酶样活性

我们评估了Fe-N₃PS/HC单原子纳米酶的过氧化物酶样活性。通过催化三种典型的色素基底(TMB、OPD和ABTS)与H₂O₂的氧化反应,Fe-N₃PS/HC表现出明显的过氧化物酶活性,分别生成蓝色、黄色和绿色的氧化产物。相比之下,没有Fe的NPS/HC载体表现出较低的过氧化物酶活性。

进一步研究发现,Fe-N₃PS/HC的过氧化物酶活性受pH值、温度和催化剂用量的影响。在pH 4.0、25℃条件下以及Fe-N₃PS/HC用量为15 μg/mL时,其活性达到最优。动力学分析表明,Fe-N₃PS/HC对H₂O₂和TMB的亲和力和反应动力学参数均优于常规的辣根过氧化物酶(HRP)和其他单原子纳米酶。此外,Fe-N₃PS/HC在30天内保持了良好的稳定性,为实际应用奠定了基础。

III. 杂原子掺杂提高过氧化物酶活性的机理

为了深入理解Fe-N₃PS/HC的高过氧化物酶活性，通过DFT理论计算分析了其反应机理。结果表明,Fe-N₃PS/HC相比于N₃P/HC,在过氧化氢的脱氢活化和产生表面氧物种的两个关键步骤中,均表现出更优异的动力学和热力学性能。这得益于Fe和S元素的引入,调控了活性位点周围的电子结构。

具体而言,Bader电荷分析发现,P中心带正电,利于亲和OOH和O等带负电的中间体;而S和N中心带负电,有利于捕获质子。此外,Fe向P中心转移电子,进而激活了O-O键,降低了产生表面O自由基的能垒。这种杂原子掺杂诱导的电子结构变化增强了Fe-N₃PS/HC对过氧化氢的亲和力和活化效率,从而提高了其过氧化物酶样活性。

IV. 构建三通道色彩识别传感阵列

基于Fe-N₃PS/HC优异的过氧化物酶活性,我们建立了一个三通道的色彩识别传感阵列,用于广谱识别霉菌毒素和金属离子。该阵列由三种色素基底(TMB、OPD和ABTS)与H₂O₂的氧化反应构成。当不同分析物接触Fe-N₃PS/HC时,会通过多种作用力在纳米酶表面发生不同程度的吸附,导致活性位点的不同程度覆盖,从而引起对三种色素基底的差异性催化氧化,产生特征性的"指纹式"色彩响应模式。

首先,选取五种典型的霉菌毒素(AFB₁、AFB₂、ZEN、FB₂和DON)作为目标分析物进行识别实验。结果显示,不同霉菌毒素与Fe-N₃PS/HC的相互作用产生了各自独特的色彩响应模式。将这些色彩模式进行主成分分析(PCA)和层次聚类分析(HCA),五种霉菌毒素完全被区分开,即使是结构相似的AFB₁和AFB₂也能准确识别。

同理,我们也评估了该传感阵列对十种金属离子(Hg²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺+、Zn²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺和Cr³⁺)的识别性能。结果表明,不同金属离子与Fe-N₃PS/HC的相互作用产生了独特的色彩响应模式,PCA和HCA分析均实现了这十种金属离子的高度区分。

值得一提的是,该传感阵列不仅可以精确识别单一组分,在复杂样品中(如玉米汁和实际水样)也能准确识别多种分析物,展现了出色的实际应用潜力。这得益于Fe-N₃PS/HC纳米酶独特的结构和性质,以及三通道色彩响应模式的协同增强效应。

3. 结语与展望

综上所述，作者成功设计并制备了具有Fe-N₃PS单原子活性位点的N、P、S共掺杂空心碳纳米笼,并将其应用于构建三通道色彩识别传感阵列。该单原子纳米酶不仅表现出优异的过氧化物酶活性和动力学性能,而且通过杂原子掺杂调控电子结构,进一步提高了其催化性能。基于Fe-N₃PS/HC独特的色彩响应特性,传感阵列实现了五种霉菌毒素和十种金属离子的高通量、广谱识别,甚至可在复杂样品中精准识别多组分分析物。

该工作不仅为单原子纳米酶的结构设计和活性调控提供了新的思路,而且构建的三通道色彩识别传感阵列在食品安全和环境监测领域展现了广阔的应用前景。未来,我们将继续优化纳米酶的催化性能,探索其在生物传感、环境检测和医疗诊断等领域的更多应用。相信通过科学家们的不懈努力,这类智能传感技术终将造福人类生活。