MOF基仿生酶微机器人：高效检测水果蔬菜总抗氧化能力

在健康饮食和疾病预防领域，总抗氧化能力（TAC）的检测具有重要意义。水果和蔬菜富含多种抗氧化物质，如抗坏血酸（AA）、花青素、黄酮类化合物和类胡萝卜素，这些物质能够降低氧化应激，从而减少疾病风险。然而，现有的TAC检测方法往往需要昂贵的设备、复杂的操作和繁琐的样品处理，且耗时较长。为了解决这些问题，研究人员开发了一种基于金属-有机框架（MOF）的仿生酶微机器人，能够高效、准确地检测水果和蔬菜的TAC，且无需添加任何化学物质或物理刺激。

研究背景：TAC检测的重要性

总抗氧化能力（TAC）是评估水果和蔬菜中所有抗氧化物质综合活性的重要指标。传统的TAC检测方法包括高效液相色谱、近红外光谱、电子顺磁共振、紫外光谱等，这些方法虽然有效，但存在设备昂贵、操作复杂、样品处理繁琐和耗时等缺点。此外，常用的比色检测方法通常需要添加有毒的过氧化氢（H₂O₂）或外部光源刺激，这在实际应用中并不理想。因此，开发一种简单、高效、绿色的TAC检测方法具有重要意义。

MOF基仿生酶微机器人的创新设计

研究人员首次提出了基于MOF的仿生酶微机器人（MIL-88A@Fe₃O₄）的概念，用于高效检测水果和蔬菜的TAC。这种微机器人由具有氧化酶样活性的MIL-88A和具有优异磁性的Fe₃O₄纳米颗粒组成，能够在无需外部刺激（如H₂O₂和光）的情况下，实现对TAC的高效检测。

微机器人的制备与表征

MIL-88A@Fe₃O₄微机器人通过水热法制备，将FeCl₃·6H₂O、富马酸和Fe₃O₄纳米颗粒混合反应，形成具有氧化酶样活性的MIL-88A@Fe₃O₄微机器人。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，MIL-88A为均匀的棒状微粒，而MIL-88A@Fe₃O₄微机器人则在表面负载了Fe₃O₄颗粒。X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进一步确认了Fe₃O₄的成功引入和微机器人的组成。

微机器人的运动性能

MIL-88A@Fe₃O₄微机器人在磁场下表现出优异的推进性能，其运动速度与磁场频率呈正相关。在5 mT、20 Hz的旋转磁场下，微机器人的平均速度可达9.5 μm/s。此外，通过改变磁场的旋转方向，可以精确控制微机器人的运动轨迹，如“N”形轨迹。这种优异的运动性能有助于加速检测过程，提高检测效率。

微机器人的氧化酶样活性

MIL-88A@Fe₃O₄微机器人展现出强大的氧化酶样活性，能够将溶解在溶液中的O₂转化为活性氧（ROS），从而氧化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）生成有色产物。实验结果表明，MIL-88A@Fe₃O₄微机器人的氧化酶样活性主要归因于MIL-88A中的Fe-O簇。通过电子顺磁共振（EPR）光谱进一步确认了微机器人在无光条件下能够产生O₂•−和¹O₂。此外，通过添加不同的清除剂，发现O₂•−和¹O₂是微机器人氧化酶样活性的主要活性物种。

TAC检测性能与实际应用

1、标准曲线的建立

研究人员以抗坏血酸（AA）为模型抗氧化剂，建立了TAC检测的标准曲线。随着AA浓度的增加，溶液的颜色逐渐变浅，652 nm处的吸光度显著降低。MIL-88A@Fe₃O₄微机器人对AA浓度的线性响应范围为10至50 μM，相关系数为0.969，检测限为3.76 μM。

2、抗干扰能力测试

在最优反应条件下，研究人员测试了不同干扰离子和分子（如K⁺、Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、尿酸、D-谷氨酸、D-组氨酸和D-(+)-葡萄糖）对检测的干扰。结果表明，AA具有较强的抗氧化能力，而其他干扰物质对检测结果影响较小，显示出微机器人良好的抗干扰能力。

3、实际样品检测

研究人员选择了葡萄和西兰花作为实际样品，检测其TAC。通过将样品粉碎、超声处理和离心，得到样品提取液，然后加入MIL-88A@Fe₃O₄微机器人和TMB进行检测。结果表明，葡萄和西兰花的TAC分别为4.075和3.827 mM AA/L（微机器人检测）以及4.438和3.641 mM AA/L（标准检测试剂盒检测）。两种方法的检测结果具有高度一致性（P < 0.001），证明了MIL-88A@Fe₃O₄微机器人在实际样品检测中的可靠性和准确性。

结论与展望

本研究开发了一种新型的MOF基仿生酶微机器人（MIL-88A@Fe₃O₄），能够在无需添加任何化学物质或物理刺激的情况下，高效、准确地检测水果和蔬菜的总抗氧化能力（TAC）。这种微机器人结合了MIL-88A的氧化酶样活性和Fe₃O₄的优异磁性，不仅提高了检测效率，还具有低成本、良好的稳定性和抗干扰能力。未来，这种基于MOF的仿生酶微机器人有望在催化传感和健康饮食监测领域发挥重要作用，为人们提供一种快速、简便的TAC检测新方法。

参考文献：https://doi.org/10.1002/smll.202408231

图1. 基于类氧化酶MOF的微型机器人示意图，用于在没有光和H₂O₂的情况下有效检测真实水果和蔬菜中的TAC

图2. 微型机器人的合成与表征

图3. 微型机器人的运动性能

图4. 催化机理分析

图 5. 微型机器人的检测性能