pH值可调的多酶样活性的Bi??Co?.?O??.?-AuNPs纳米酶：一种电化学-比色双重模式的适配体传感器，用于水稻中超高灵敏度的Cd2?检测

《Food Chemistry》：pH-switchable multi-enzyme-like activities of Bi 12Co 0.6O 18.8-AuNPs nanozyme: An electrochemical-colorimetric dual-mode aptasensor for ultrasensitive Cd2+ detection in rice

　　

摘要

由于镉污染食品对健康构成的严重风险，亟需开发精确且快速的检测技术。本文设计了一种新型的pH可调多酶活性纳米zyme Bi₁₂Co_0.6O_18.8-AuNPs，用于构建一种双模式适配体传感器，以实现Cd²⁺的快速可靠检测。这种纳米zyme在酸性条件下（pH 4）表现出类似过氧化酶的催化活性，可催化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺的H₂O₂氧化反应，从而实现可视化比色检测；而在微碱性条件下（pH 8）则转变为类似过氧化氢酶的活性，将H₂O₂分解为O₂，生成可测量的电化学信号。得益于双模式策略下的协同增强效应和适配体的高选择性，该传感器能够实现对Cd²⁺的高精度、高可靠性检测。其检测限分别为9.23 pg/mL（比色法）和0.43 pg/mL（电化学法）。该传感器在实际稻米样品中的应用证明了其在食品安全监测中的实用价值。

引言

保障全球食品安全是一个关键的公共卫生问题，其中重金属污染尤为紧迫，因为它们具有环境持久性、生物累积潜力，并且即使在微量水平也会产生严重的不良影响（Gammoudi等，2010；Sawan等，2022；Wang等，2022）。在这些有毒元素中，镉（Cd）被广泛认为是最危险的污染物之一，因其高毒性和普遍存在（Gan等，2020）。镉在环境中释放后容易形成可溶性且易被生物吸收的Cd²⁺离子，这些离子会进入谷物和叶类蔬菜等可食用组织，从而直接对人体造成危害（Chen等，2025）。国际癌症研究机构（IARC）已将镉列为1类人类致癌物质（Xue等，2020），长期暴露于镉与多种健康疾病密切相关，包括肾脏损伤（Hong等，2023）、骨质疏松症（Ma等，2020）和免疫系统损伤（Niu等，2020）。因此，准确灵敏地检测Cd²⁺对于环境和食品安全监测至关重要。

传统方法主要依赖于复杂的仪器技术，如原子吸收光谱法（AAS）（Xing等，2021）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）（Rastogi等，2024）和电感耦合等离子体光发射光谱法（ICP-OES）（Heltai等，2019）。尽管这些方法具有高灵敏度和准确性，但它们受到诸多限制，包括对昂贵仪器、高度专业人员的依赖以及需要集中式实验室设施。这些因素使得它们不适合用于快速、响应迅速或可靠的食品安全检测。

作为应对措施，基于纳米材料的生物传感器应运而生，具有快速、经济且操作简便的优势（Zhao等，2022）。然而，许多现有设计仅限于单一信号输出，缺乏内部校准或信号交叉参考，容易导致假阳性/假阴性结果，从而降低其可靠性。为解决这些问题，开发双模式传感平台已成为实现准确可靠分析性能的关键策略。在先前的研究中，Xu等人开发了一种集成智能手机的双模式平台，结合了电化学技术（循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）与比色成像，实现了便携式的高灵敏度葡萄糖检测（Xu等，2024）。类似地，Melo等人构建了一种基于溴化酚绿修饰的印刷电极的双模式传感器，用于法医中的阿托品检测（Melo等，2025）。这些研究共同表明，双模式比色-电化学传感器通过内在的信号交叉验证提高了选择性、可靠性和实际应用性，减少了复杂基质中的误差。

此外，纳米zyme（具有酶样催化活性的纳米材料）的出现为构建双模式传感平台带来了显著优势。它们克服了天然酶的固有局限性，如稳定性差和易受干扰，促进了稳健且适应性强的检测系统的发展（Gopakumar等，2025；Yan等，2025；Zhang等，2022）。研究表明，某些纳米zyme的催化特性可以通过改变pH条件来调节。例如，Shen等人开发了一种基于液态金属的FeOx@EGaIn纳米zyme，在酸性条件下表现出类似过氧化酶（POD）的活性，在微碱性条件下表现出类似氧化酶的活性，同时保持高催化稳定性。在另一项研究中（Shen等，2025），Zhou等人通过AuPtCo@Cys和AuPtCo@Ab等功能接口设计了具有双重酶活性的AuPtCo纳米zyme。利用pH依赖的催化切换机制，他们建立了一种基于化学发光的方法来检测多巴胺（DA），并成功应用于人类血清和其他生物流体中H₂O₂和脂蛋白相关磷脂酶A₂的检测（Zhou等，2022）。这类纳米材料具有pH响应的多酶模拟活性，能够在大范围pH值内精确调节催化性能。尽管取得了这些进展，但基于铋的可切换纳米zyme在双模式适配体传感器中的应用，尤其是在重金属检测方面的应用仍需进一步探索。

在本研究中，我们设计了一种新型的pH可调多酶纳米zyme Bi₁₂Co_0.6O_18.8-AuNPs，其在酸性条件下表现出类似POD的活性，在微碱性条件下表现出类似过氧化氢酶（CAT）的活性。利用这种独特的pH依赖性催化行为，我们开发了一种双模式适配体传感器，结合了比色和电化学检测方法来检测稻米中的Cd²⁺（图1）。以AuNPs作为界面层，Cd²⁺适配体（Apt）通过Au-硫键固定在电极上。同时，巯基修饰的互补DNA（cDNA）链与Bi₁₂Co_0.6O_18.8-AuNPs结合形成信号探针。最后，该探针通过与表面结合的Apt杂交锚定在电极上，形成完整的cDNA/Bi₁₂Co_0.6O_18.8-AuNPs/Apt/AuNPs/ITO传感界面。在Cd²⁺存在下，Apt特异性结合Cd²⁺，导致cDNA-Apt双链解离，从而使cDNA/Bi₁₂Co_0.6O_18.8-AuNPs从电极表面释放。释放的cDNA/Bi₁₂Co_0.6O_18.8-AuNPs可以在654 nm波长下进行比色检测，以评估其类似POD的活性。基于过氧化物酶的特性，使用DPV方法检测Cd²⁺/AuNPs/Apt/AuNPs/ITO的电信号。双模式系统的交叉验证功能结合适配体的高选择性确保了检测的准确性和可靠性。本研究不仅提供了一个用于检测镉的稳健且实用的传感平台，还为设计具有可调催化功能的智能纳米zyme生物传感器开辟了新途径，适用于食品安全监测。

章节节选

材料与试剂

硝酸铋五水合物（Bi(NO₃)₃·5H₂O）、硝酸钴六水合物（Co(NO₃)₂·6H₂O）和氢氧化钾（KOH）均购自上海麦克林生物化学有限公司（中国上海）。硝酸（HNO₃，浓度68% w/w）由上海建新化学有限公司提供。3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）和6-巯基-1-己醇（MCH）购自上海阿拉丁生物化学技术有限公司（中国上海）。三水合氯金酸（HAuCl₄·4H₂O）也来自...

Bi₁₂Co_0.6O_18.8-AuNPs的表征

如图1所示，通过FE-SEM、TEM成像和EDS光谱对制备的Bi₁₂Co_0.6O_18.8和Bi₁₂Co_0.6O_18.8-AuNPs的形态和化学成分进行了表征。FE-SEM图像显示Bi₁₂Co_0.6O_18.8具有不规则的片状形态，表面相对光滑。TEM进一步证实了这一观察结果（图1B）。同时，大量的AuNPs均匀分布在片状表面上，没有明显的聚集现象...

结论

总结来说，通过一步水热法结合原位还原AuNPs，成功合成了新型的pH可调多酶纳米zyme Bi₁₂Co_0.6O_18.8-AuNPs。该纳米zyme在酸性条件下（pH 4）表现出类似POD的催化活性（TMB氧化），可通过UV–vis光谱仪检测实现比色读数；而在碱性条件下（pH 8）则表现出类似过氧化氢酶的催化活性（H₂O₂分解）...

CRediT作者贡献声明

Mengdie Luo：撰写 – 原始草稿、方法学、实验设计、数据整理。Jingjing Fan：方法学、数据分析。Wenpei Xie：方法学、数据分析。Gang Peng：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、项目监督、资金申请。Xiaojun Chen：撰写 – 审稿与编辑、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了安徽省高等学校自然科学科研项目（项目编号：KJ2021A0887）、安徽科技学院人才引进基金（项目编号：SPYJ202002）、2024年安徽省高校优秀科研创新团队（项目编号：2024AH010007）以及