原位合成的H?O?自供给复合过氧化物酶模拟物CuO?@S/Cu-NC，用于便携式组胺检测和海鲜新鲜度监测

《Talanta》：In situ synthesized H 2O 2 self-supplying composite peroxidase mimic CuO 2@S/Cu-NC for portable detection of histamine and seafood freshness monitoring

本研究制备了具有自供氢氧根酸化特性的CuO2@S/Cu-NC复合纳米酶，通过原位合成铜过氧化物纳米点与硫氮共掺杂碳铜纳米酶协同作用，实现催化效率提升十倍，并基于pH响应特性建立便携试纸检测海鲜新鲜度及组胺新方法。

　　

周晨宇|强建新|张婉怡|吕云泰|苏兴光

吉林大学化学学院分析化学系，长春130012，中国

摘要

过氧化物酶类似纳米酶在现场检测中的应用常常受到限制，因为需要添加H₂O₂这一繁琐步骤。本文制备了一种新型复合过氧化物酶模拟物CuO₂@S/Cu-NC，它具有自我供给H₂O₂的功能，这是通过在S/N共掺杂的碳基铜纳米酶（S/Cu-NC）上原位合成铜过氧化物纳米点（CuO₂）实现的。CuO₂在酸性环境中能够产生H₂O₂，而原位生成的H₂O₂可以立即与S/Cu-NC的活性位点结合，从而大大提高了催化反应效率。由于CuO₂@S/Cu-NC具有H⁺诱导的H₂O₂生成特性，pH值的变化会影响其过氧化物酶类似活性。因此，建立了一种灵敏且便捷的组胺检测方法。此外，还设计了一种便携式试纸条，用于实时监测海鲜的新鲜度，显示出这种多功能纳米酶在食品检测领域的巨大潜力。

引言

组胺是一种广泛存在于动物和植物中的生物胺，由组氨酸脱羧生成。在体内，组胺是一种重要的化学信号分子。当身体受到刺激引发抗原-抗体反应时，肥大细胞的膜通透性发生变化，组胺被释放出来，并与组胺受体相互作用，产生病理生理效应[1]，[2]。在肉类产品（主要是海鲜）的储存或加工过程中，体内的游离组氨酸会因外源污染或肠道微生物产生的脱羧酶而降解，生成组胺[3]，[4]。过量摄入组胺可引起一系列过敏和炎症反应以及毒性反应，包括头晕、头痛、心悸、胸闷、呼吸困难、呕吐、心跳加快和结膜充血[3]。组胺中毒是海鲜的主要安全问题之一。在可检测的生物胺中，组胺的毒性最强，被认为是评估食品新鲜度的重要指标[5]，[6]。联合国粮农组织/世界卫生组织专家委员会评估了组胺的公共卫生风险，结论认为口服组胺的无观察不良效应水平（NOAEL）为50.0 mg。食品中组胺的最大允许含量已有明确规定。例如，美国食品药品监督管理局（US FDA）规定海鲜中的组胺含量不得超过50.0 mg/kg，欧盟委员会（EC）规定新鲜鱼类和鱼酱中的组胺限量为100 mg/kg和400 mg/kg[7]。中国标准（GB 2733-2015）规定鱼类中的组胺含量应低于200 mg/kg[8]。因此，建立一种灵敏简便的组胺检测方法对于评估食品安全和保护人类健康非常重要。

近年来，纳米酶因其同时具备纳米材料的物理化学性质和独特的酶样活性而受到广泛关注。研究人员报道了多种模拟不同酶活性的材料，如过氧化物酶[9]，[10]，[11]、漆酶[12]，[13]、过氧化氢酶[14]，[15]、葡萄糖氧化酶[16]，[17]、抗坏血酸氧化酶[18]和水解酶[19]等。其中，过氧化物酶模拟物研究最为深入，它们可以利用过氧化氢催化底物的氧化反应。然而，添加H₂O₂这一必要步骤使得操作变得复杂，有时限制了过氧化物酶模拟物的应用。因此，迫切需要设计具有自我生成H₂O₂能力的过氧化物酶类似纳米酶。过氧化物是一类含有过氧基-O-O-的化合物，包括金属过氧化物、过氧化氢、过氧酸盐和有机过氧化物。在元素周期表中，IA族、IIA族、IIIB族、IVB族以及某些过渡元素（如Cu、Ag、Hg）的元素可以形成金属过氧化物[20]。金属过氧化物已被报道作为H₂O₂的替代来源[21]。CuO₂是一种常用的金属过氧化物，许多研究者将其应用于化学动力学治疗[22]，[23]、细菌消除[24]，[25]以及环境磺酰脲类除草剂污染的修复[26]。

在本研究中，我们使用金属有机框架结构制备了S/N共掺杂的碳基铜纳米酶S/Cu-NC，并在其上原位合成了铜过氧化物纳米点（图1A）。二元异原子（N/S）的协同作用赋予了S/Cu-NC优异的过氧化物酶类似活性。CuO₂纳米点在S/Cu-NC上原位生成，得到了纳米复合材料CuO₂@S/Cu-NC。CuO₂纳米点能够在酸性环境中产生H₂O₂，从而新型纳米酶CuO₂@S/Cu-NC无需添加外源H₂O₂，原位生成的H₂O₂可以立即与S/Cu-NC的活性位点结合，显著加速了催化反应（图1B）。由于CuO₂@S/Cu-NC的H⁺诱导的H₂O₂生成特性，pH值的变化会影响其过氧化物酶类似活性。因此，建立了一种灵敏便捷的组胺检测方法。此外，还设计了一种便携式试纸条，通过集成智能手机和颜色分析软件，实现实时监测虾样新鲜度的变化（图1C），展示了该复合纳米酶在食品安全领域的应用潜力。

材料

Zn(NO₃)₂?6H₂O（≥99.0%）、Cu(NO₃)₂?3H₂O（≥99.0%）、CuCl₂?2H₂O（≥99.0%）和甲醇（≥99.7%）购自中国上海新华药业试剂有限公司。2-甲基咪唑（≥98.0%）购自中国上海阿拉丁试剂公司。硫脲（≥99.0%）购自中国天津化学试剂厂。3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB，≥99.0%）购自中国北京鼎国生物技术有限公司。聚乙烯吡咯烷酮（PVP，≥95.0%）

CuO₂@S/Cu-NC的特性

根据我们之前的研究[27]，通过一步热解掺铜的ZIF-8并包裹硫脲制备了S/N共掺杂的碳基铜纳米酶（S/Cu-NC）。如图2A和图S1所示，透射电子显微镜（TEM）图像和扫描电子显微镜（SEM）图像显示S/Cu-NC具有典型的十二面体形态。CuO₂纳米点是通过Cu²⁺和H₂O₂在碱性PVP溶液中的反应制备得到的。如图2B和图2D所示，

结论

总之，通过在预先合成的S/N共掺杂的碳基铜纳米酶上原位合成CuO₂纳米点，制备了一种新型纳米复合材料CuO₂@S/Cu-NC。CuO₂@S/Cu-NC能够在酸性环境中自行生成H₂O₂，原位生成的H₂O₂可以迅速与S/Cu-NC的活性位点结合，产生大量活性氧物种，因此CuO₂@S/Cu-NC对TMB的最大反应速率比S/Cu-NC高出十倍以上。基于H⁺依赖性

CRediT作者贡献声明

苏兴光：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金申请。吕云泰：数据分析。强建新：方法学设计、数据分析。周晨宇：初稿撰写、方法学设计、实验研究。张婉怡：数据分析

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

本手稿的提交过程中不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号22374058）和吉林省科学技术发展计划（项目编号20220402001GH）的支持。