新型双峰单原子铁纳米酶用于挥发性胺和冷鲜肉新鲜度快速检测

  冷鲜肉在贮藏、运输和销售过程中，因自身水分含量高、营养成分丰富等特性极易发生腐败变质，造成食物资源浪费和经济损失。挥发性胺是肉品腐败变质的特征物质，常用于肉品新鲜度评价。此外，挥发性胺对人体健康有不良影响，包括食欲不振、头痛、恶心、呕吐和其他相关疾病等症状。因此，创建一种挥发性胺响应型快速检测技术对于冷鲜肉新鲜度实时检测监测具有重要意义。近日，中国农业科学院肉品科学与营养工程创新团队以具有良好类过氧化物酶催化性能的单原子铁纳米酶为基础，协同具有优异荧光性能的碳量子点材料，构建了一种具有比色-荧光双模式的生物传感器用于冷鲜肉中挥发性胺的原位无损检测。

  如图1所示，研究首先使用主-客定义策略制备了SAFe-N-C纳米酶，Fe(acac)₃被限制在ZIF-8的多孔结构中，抑制了铁元素在进一步煅烧过程中团聚形成铁纳米颗粒。煅烧后保持了正十二面体形貌。Fe(acac)₃提供铁原子，并在掺杂N的C骨架上形成稳定的Fe-N4配位。体系的pH值对合成的SAFe-N-C纳米酶的催化反应具有重要影响，能够影响纳米酶表面电荷转移和中间体的含量，从而影响催化速率。在pH为2-4的范围内，SAFeN-C纳米酶能有效催化H₂O₂产生羟基自由基(•OH)，同时使TMB氧化变色，氧化产物(oxTMB)在652 nm处有紫外-可见吸收峰。然而，碳量子点(CDs)在475 nm处的发射荧光由于oxTMB与CDs相互作用产生的内滤效应(IFE)而猝灭。随着胺含量的升高，pH值增加，体系内中间•OH的含量降低，从而导致oxTMB含量降低。随着内滤效应的减弱，CDs的荧光逐渐恢复。可通过手机程序快速获取光信号，适用于肉类中挥发性碱性气体的监测。通过这种方式，生物传感器能够在同一检测系统内通过比色-荧光双信号方法定量测定挥发性胺。

  图1. 用于检测应用的比色-荧光双信号生物传感器的便携式可视化。

图2 SAFe-N-C纳米酶的表征。a)纳米酶合成示意图;b)纳米酶的TEM图像;c)纳米酶的放大AC-HAADF-STEM图像;d)Fe箔、SAFe-N-C纳米酶、Fe₂O₃、FePcK边缘的XANES光谱;e)纳米酶及其参照物的空间光谱;f)纳米酶的拟合效果;g)不同Fe参照物的3D彩色谱WT-XAFS图像。

图3 纳米酶的类POD催化性能。a)不同体系在300-800 nm处的紫外-可见吸收光谱;b)电子自旋共振;c)Michaelis-Mente方程;d)类纳米酶活性。

图4 比色-荧光双信号生物传感器的检测机理。a)双信号生物传感器示意图;b)不同体系在400-800 nm范围内的紫外-可见吸收峰扫描图;c)不同体系中•OH的检测;d)双信号生物传感器对10 ppm氨的可见响应;e)双信号生物传感器对10 ppm分析物的荧光响应。

图5 比色-荧光双信号生物传感器的灵敏度。a)双信号生物传感器对不同浓度氨的可视化响应;b)灰度值与氨浓度呈线性相关关系;c)双信号生物传感器对不同浓度氨的荧光响应;d)双信号生物传感器对不同浓度氨的荧光光谱响应;e)475 nm处荧光强度与氨浓度之间的对应关系;f)荧光强度与氨浓度呈线性相关。

图6 实际样品新鲜度检测。a)比色-荧光双信号生物传感器在25 ℃监测猪肉、牛肉、羊肉和鸡肉的新鲜度;b)双信号生物传感器与猪肉、牛肉、羊肉和鸡肉储存时间的关系;c)双信号传感器荧光值与四种肉类中TVB-N值的关系;d)双信号生物传感器与猪肉、牛肉、羊肉和鸡肉储存时间的关系;e)双信号传感器荧光值与四种肉类中TVB-N值的关系。

  本研究成功构建了一种具有比色-荧光双模式的生物传感器用于冷鲜肉中挥发性胺的原位无损检测方法。双模式生物传感器在0.5-50.0 ppm线性范围内，对氨的检出限分别为0.9840 ppm和0.0838 ppm，响应时间分别为6 min和15 min，不仅缩短了响应时间，还在一定程度上提高了检测灵敏度。该双模式生物传感器在猪肉、牛肉、羊肉和鸡肉新鲜度检测上也进行了验证，所得结果与传统检测方法相当，有望应用于冷鲜肉加工仓储物流过程中新鲜度的检测监测。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2023.102025