中空Mn/Co-MOF纳米酶：解锁总抗氧化能力与红茶发酵的检测新策略

研究背景

红茶是全球最受欢迎的饮品之一，其消费量占茶叶总消费量的75%，因其独特风味和潜在健康益处而备受青睐。茶叶中总抗氧化能力（TAC）的检测及其在红茶加工过程中发酵程度的监控，对茶产业的智能制造具有重要意义。近年来，一些新兴的快速检测技术被探索用于监测红茶发酵过程中的成分、颜色和香气变化，例如近红外光谱、高光谱成像、表面增强拉曼光谱和电子鼻。尽管这些方法可以有效确定红茶的发酵程度，但其实际应用严重受限于基线漂移、信噪比低以及对环境湿度的敏感性等问题。因此，开发低成本、简便且可靠的红茶发酵度检测方法具有重要意义。

本研究成功制备了具有中空结构的Mn掺杂Co-MOF（HS-Mn/Co-MOF），展现出强大的类氧化酶催化活性，比ZIF-67提高了20倍以上。利用HS-Mn/Co-MOF纳米酶的中空结构，可以在室温下快速完成3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）的氧化反应。基于HS-Mn/Co-MOF纳米酶的优势，开发了一种用于TAC检测的平台（以抗坏血酸（AA）作为抗氧化模型，AA能够清除活性氧物种，从而抑制HS-Mn/Co-MOF纳米酶的类氧化酶活性）。进一步构建了一种基于纸基HS-Mn/Co-MOF纳米酶与智能手机相结合的集成传感平台，用于实际茶样中TAC的现场检测。通过监测红茶加工过程中TAC浓度的变化，结合机器学习，首次成功识别和预测红茶的发酵程度（图1）。

图1 基于HS-Mn/Co-MOF纳米酶构建生物传感器用于TAC总量监测及红茶发酵程度评估的机理图

研究内容及结果

（1）HS-Mn/Co-MOF的合成及表征：首先通过温和的溶剂热法合成ZIF-67。使用KMnO₄作为前驱体，将Mn元素引入ZIF-67结构中。通过在空气气氛下250℃煅烧MnZIF-67，得到HS-Mn/Co-MOF。通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、能谱（EDS）元素分布、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等证明了HS-Mn/Co-MOF的成功合成。热重分析（TGA）表明HS-Mn/Co-MOF具有较高的热稳定性。综合表征结果证明HS-Mn/Co-MOF纳米酶具有高度分散的Mn物种和明确的中空结构，这些特性使其在催化和传感应用中具有显著优势。

（2）HS-Mn/Co-MOF纳米酶的类氧化酶催化活性评估及其条件优化：HS-Mn/Co-MOF对TMB的Km值为0.15 mM，低于ZIF-67-250℃、辣根过氧化物酶（HRP）及其他纳米酶。HS-Mn/Co-MOF的Vmax是ZIF-67-250℃的约30倍（22.3×10^⁻⁸ Ms^⁻¹ vs 0.75×10^⁻⁸ Ms^⁻¹），表明其反应速率极快。选择HS-Mn/Co-MOF中Mn负载量为0.5、pH =3.5和37℃为后续AA和TAC检测的最佳条件。

（3）HS-Mn/Co-MOF纳米酶的催化机制探究（图2）：研究表明HS-Mn/Co-MOF纳米酶催化机制包括高度分散的Mn物种掺杂导致表面活性氧物种增加，增强了O₂在HS-Mn/Co-MOF上的活化能力，生成^¹O₂和O₂•^⁻。HS-Mn/Co-MOF表面的负电荷通过静电相互作用与TMB结合。中空结构增强了质量传递和活性位点的利用效率，加速了TMB的氧化反应。

图2 HS-Mn/Co-MOF催化TMB氧化的可能机制。

（4）基于HS-Mn/Co-MOF纳米酶的AA比色检测：AA能够清除活性氧物种（如^¹O₂和O₂•^⁻），从而抑制HS-Mn/Co-MOF纳米酶的类氧化酶活性。随着AA浓度的增加，氧化态TMB（oxTMB）的蓝色逐渐变浅，混合溶液在652 nm处的吸光度显著下降。结果表明，在0.01-0.2 μM和0.5-120 μM范围内，652 nm处的吸光度变化（ΔA）与AA浓度呈良好的线性关系（R^²分别为0.997和0.999），检测限（LOD）为3 nM。该传感器的比色检测性能优于先前报道的金属纳米颗粒、单原子纳米酶、小分子纳米酶和基于MOF的类过氧化物酶/氧化酶纳米酶传感器。结合智能手机开发了基于HS-Mn/Co-MOF纳米酶的纸基传感器，用于现场AA检测，检测限为2.99 μM。尽管RGB分析的灵敏度低于开发的比色方法，但仍高于先前报道的方法。

（5）实际茶样中总TAC检测以及不同茶类鉴别：TAC通过AA的微摩尔当量表示，不同方法测定的结果具有一致性，验证了基于HS-Mn/Co-MOF方法的可靠性。AA的回收率在99.9%到103.9%之间，相对标准偏差（RSD）小于14.3%。方法进一步成功测定了180种不同类型茶样的TAC值，结果与不同茶类的发酵程度一致，表明TAC值可以作为监测茶发酵过程中发酵程度的指标。使用线性判别分析（LDA）处理茶样紫外-可见光谱（550-750 nm）的吸收强度，不同类型的茶样清晰地聚类为五组：绿茶、红茶、乌龙茶、白茶和黑茶，结果表明，基于HS-Mn/Co-MOF纳米酶的比色方法可用于茶类鉴定。

图3（a）不同抗坏血酸（AA）浓度下HS-Mn/Co-MOF-TMB体系的紫外-可见光谱及其对应的照片；（b）吸光度变化与AA浓度的校准曲线；（c）用于现场AA检测的智能手机辅助纸基传感平台示意图；（d）不同浓度AA的纸传感器的照片及其对应的RGB信号；（e）不同浓度AA的RGB值；（f）R/B比值与AA浓度的校准曲线；（g）通过不同方法测定的红茶中总抗氧化能力（TAC）水平的热图；（h）五种茶类的TAC含量（误差条表示平均值±标准差，来自重复实验（绿茶、乌龙茶、白茶和黑茶n=30，红茶n=60））；（i）通过线性判别分析（LDA）分析的不同茶类的3D散点图。误差条表示三重重复实验的平均值±标准差（n=3），除了(h)。

（6）红茶加工过程中发酵程度的监测：使用HS-Mn/Co-MOF纳米酶比色方法测定了不同发酵时间的茶叶样本的TAC值，对发酵样本的紫外-可见光谱吸收值进行层次聚类分析，结果显示不同发酵时间的样本被清晰区分，与感官评价结果一致。使用支持向量机（SVM）算法对不同发酵时间的样本进行分类，训练集和测试集的准确率分别为93%和94%。说明基于HS-Mn/Co-MOF纳米酶的比色方法结合机器学习算法能够有效识别和预测红茶发酵程度，为红茶加工中的发酵质量控制提供了一种快速、简便的工具。

研究结论

本研究成功地通过一种简便的掺杂和低温煅烧工艺，在Co-MOF上合成了高度分散的Mn物种，并形成了中空结构。所制备的HS-Mn/Co-MOF表现出卓越的类氧化酶活性，能够高效催化TMB的氧化反应。HS-Mn/Co-MOF类氧化酶纳米酶的催化机制与其表面活性氧物种、负电荷表面以及独特的中空结构密切相关。基于AA对HS-Mn/Co-MOF纳米酶系统的抑制效应，该研究成功建立了用于实际茶样中TAC比色检测的方法和基于智能手机辅助的纸基比色传感平台。此外，通过将HS-Mn/Co-MOF纳米酶与机器学习相结合，还能够以94%的准确率识别和预测红茶发酵过程中的发酵质量。未来的研究可以将开发的基于HS-Mn/Co-MOF纳米酶的方法与微流控芯片技术相结合，以实现高通量自动化检测。本研究不仅为基于MOFs的纳米酶设计在评估食品营养价值方面的应用提供了一次重要的尝试，也为指导红茶智能制造提供了新的工具。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202411275