题目：用于挥发胺和食品新鲜度检测的双峰单原子铁纳米酶生物传感器

期刊：《Nano Today》

IF: 17.4

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

汇报人：王文泽2022级硕士

本文利用单原子铁纳米酶（SAFe-NC纳米酶）和碳量子点（CD）成功创建了一种用于肉类新鲜度检测的比色荧光双信号生物传感器。SAFe-N-C 纳米酶具有高过氧化物酶样 (POD 样) 活性 (40.22 U/mg)，可作为催化剂，促进无色还原态的红色 TM的转化为ox TMB。随后，由于ox TMB 和 CD之间的内过滤效应 (IFE)，CD 的荧光信号被猝灭。在食品腐败过程中，挥发性胺 的产生导致ox TMB减少，随后恢复 CD 的荧光。氨检测的检测限 (LOD) 为 0.9840 ppm 和 0.0838 ppm，线性范围为 0.5–50 ppm。这种比色荧光双信号生物传感器能够以无损、实时的方式有效检测畜禽肉腐败过程中的VA。这项创新工作克服了单一信号输出的限制，为VAs检测提供了一种便携式且可靠的方法，被证明是肉类新鲜度评估的重大进步。

食品在加工、运输、贮存和销售等各个阶段都容易受到外部和内部微生物的污染。这些微生物可以分解蛋白质产生挥发性胺（VAs），导致食物变质。此外，VA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，越来越需要开发实时、具有成本效益和高效的方法来监测 VA，以确保食品质量和安全。

1.合成SAFe-N-C纳米酶。

通过主客体定义策略制备SAFe-N-C纳米酶（图1a）。在这个过程中铁被限制在ZIF-8的多级孔隙结构中，在进一步煅烧过程中抑制了铁的团聚形成铁纳米颗粒。材料经过煅烧后保留了正十二面体形态，碳载体的尺寸约为400 nm。XPS和XANES光谱均表明， Fe元素的氧化态在+2和+3之间。

图1.SAFe-N-C纳米酶的表征。 a） SAFe-N-C纳米酶合成示意图。 b） SAFe-N-C纳米酶的TEM图像。c） SAFe-N-C纳米酶的放大AC-HAADF-STEM图像。d） Fe箔、SAFe-N-C纳米酶、Fe的XANES谱图2O3和 FePc K 边缘。e） SAFe-N-C纳米酶和参比物的R空间谱图。f） SAFe-N-C纳米酶的拟合结果。g）3D彩色图WT-XAFS图像。

2.SAFe-N-C纳米酶的POD样催化特性。

经验证，与天然酶相比，SAFe-N-C纳米酶在pH值和反应时间方面表现出相似的最佳条件，具有更宽的耐温范围。 与天然辣根过氧化物酶和其他SA酶相比，SAFe-N-C纳米酶具有非常强的POD样催化活性。

图2.SAFe-N-C纳米酶的POD样催化性能。 a）不同系统在 300–800 nm 处的紫外-可见吸收光谱。b） 电子自旋共振（ESR）。c） Michaelis-Menten 方程（插图为 Lineweaver-Burk）。d） SAFe-N-C纳米酶样酶活性。

3.比色-荧光双信号生物传感器机制。

众所周知，体系的pH值对酶的催化反应有重要影响，会影响其表面电荷转移和中间体的含量，从而影响催化速率。食品腐败产生的VAs能够上调SAFe - N - C纳米酶最优类POD催化体系中的pH值，进而影响中间产物· OH的含量，减少ox TMB的产生。此后，ox TMB与CDs之间的IFE得到缓解，CDs的荧光发射逐渐恢复。以此构建了比色-荧光双信号生物传感器体系用于VAs的检测。

图3.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） 不同系统在400–800 nm范围内的紫外-可见吸收峰扫描。c） 不同系统中•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 氨的荧光响应。

4.双信号生物传感器对氨气的传感性能。

基于该体系的最佳参数，将SAFe - N - C纳米酶、red TMB、H2O2和CDs组分负载在华特曼No.1纸基载体上，构建便携式比色-荧光双信号生物传感器用于VAs检测。在365 nm激发后，比色荧光双信号生物传感器的颜色由蓝色变为黄绿色（图4c），在1.5 - 10 ppm的线性范围内，LOD计算为0.9840 pp，与先前的研究相比，显示了双信号生物传感器的可靠检测性能，这也表明具有可靠的检测性能。

图4.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见响应。b） 灰度值与氨浓度之间的线性相关性。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荧光强度与氨浓度的对应关系 f） 荧光强度与氨浓度之间的线性相关性。

5.定性和定量监测肉类样品的新鲜度。

基建立肉样的灰度值、比色-荧光双信号传感器荧光强度与TVB - N值之间的定量模型，如图5d，e 所示。相关系数分别为0.9196和0.9360。因此，本研究开发的比色-荧光双信号生物传感器在实际样品检测过程中与先前的检测方法相比具有可靠性(表S3 )。

图5.(a)使用基于BN-ISCRD的LFIA检测血清样品中PG I和PG II的程序和时间要求。(b和c)显示使用基于BN-ISCRD的LFIA在临床血清样品中分别检测PG I和PG II的结果的热图。热图中显示的值是每个样品中PG I和PG II的浓度。(d和e)基于BN-ISCRD的LFIA和比浊抑制免疫测定法在分别量化来自临床血清样品的PG I浓度和PGR值中的相关性分析。

总之，设计了一种基于BN-ISCRD的LFIA，以双金属纳米酶Pd@Ir NPs为标记，通过原位催化显色底物沉积产生更强的信号，打破了传统比色LFIA检测癌症超低浓度生物标志物的限制。通过Cyt C电子输运实验和电化学反应证实了Pd@Ir NPs的电子转移能力。较低的吸附能H2O2通过DFT计算获得了催化过程中Pd@Ir NPs的•OH解离的较低能垒。结果表明，Pd@Ir NPs的催化活性受Ir壳厚度调控，呈火山型趋势。该LFIA成功实现了对PG I和PG II的超灵敏检测，COV低至10 pg/mL，与未增强的相比降低了200倍。该方法在<25 min内实现了临床样品中两种分析物的同时检测，结果与临床分析结果一致。这种BN-ISCRD战略为构建超灵敏的即时检测平台提供了一种创新的方法，也为生物传感和新型纳米材料的结合提供了新的推动力。