通过表面引发封装均相铁前驱体构建磁性类过氧化物酶异质结纳米酶，用于食品中汞离子的自校准比色/荧光双模式检测

《Journal of Hazardous Materials》：Engineering of magnetic peroxidase-like heterojunction nanozymes from homogeneous iron precursor by surface-initiated encapsulation for self-calibration colorimetric/fluorescence dual-mode analysis of Hg2+ ion in foods

　　

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  通过表面引发策略制备了同质异质结构Fe₃O₄@TCPP-Fe纳米酶。
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  同质Fe²⁺/Fe³⁺在促进电子转移中的"电子桥"作用。
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  由于同质Fe²⁺/Fe³⁺的存在，类过氧化物酶（POD）活性得到增强。
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  该纳米酶实现了Hg²⁺的自校准紫外-可见光/荧光双模式检测。
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  实现了在食品中Hg²⁺分析的实际应用。

引言

随着社会经济快速发展，重金属污染问题日益突出，引起了全球广泛关注[17]。煤炭燃烧、电池及金属冶炼等化工行业的高需求导致了化学毒素、重金属离子以及无机和有机污染物的过量排放，对环境造成了严重破坏。在众多污染物中，重金属具有特殊风险，因为它们不能被微生物降解，也无法在环境中代谢[38]。汞离子（Hg²⁺）被认为是最危险的重金属离子之一，它们可污染食物链，损害人体生物系统，并引发神经毒性[9]。此外，即使是微量摄入，Hg²⁺离子也会对肾脏、心脏和神经系统造成永久性损伤[4]。在食品安全领域，Hg²⁺离子通过生态系统（如水和土壤）在各种食物中生物富集增加，可能对人类健康构成不可控的威胁[30]。世界卫生组织（WHO）规定饮用水中Hg²⁺离子的最大允许含量为1.0?μg/L[12]。因此，无论是环境还是食品系统中，开发高效的Hg²⁺离子检测方法（灵敏度和准确性）至关重要。目前，已采用多种高精度和高灵敏度的传统分析方法检测食品中的Hg²⁺离子，如电感耦合等离子体质谱法[29]、原子吸收光谱法[14]、高效液相色谱法[39]和荧光光谱法[35]。然而，复杂的样品前处理过程和较长的操作时间仍限制了其在现场分析中的发展。

基于光谱学的光学传感器因其快速、灵敏和高效等独特优势，被认为是在食品污染快速检测中的有力工具[24]，[3]。目前，已报道了多种多光谱分析方法用于快速分析，包括紫外-可见（UV–Vis）光谱法[1]、荧光（FL）光谱法[19]，[40])、近红外（NIR）光谱法[26]和表面增强拉曼光谱法（SERS）[27]。遗憾的是，由不稳定性引起的光学传感器量化准确度低确实限制了其应用范围[5]。此外，典型光学传感器的准确度通常通过标准比对方法（色谱法、滴定法、酶联免疫吸附试验等）进行验证，从而增加了检测程序的复杂性。集成多种光谱技术的多模式光学传感器是一个有前途的候选方案，它可以通过简便的自校准程序提高检测准确度，而不牺牲灵敏度和速度[11]，[15]，[28]。在测量过程中可以显著识别并纠正固有的系统误差和潜在随机误差[2]。在多模式光学传感器的制备方面，具有多种光学信号输出的多功能纳米材料因其长期稳定性、可调的光学性质以及批量生产能力而引起了越来越多的关注[25]。因此，通过设计和制备优异的多功能纳米材料来开发多模式光学传感器，是获得精确且灵敏检测结果的一种非常有益的策略。

纳米酶因其可调的催化性质、低成本、良好的稳定性以及多样的光学性能，被视为天然酶的理想替代品[10]，[31]。纳米酶在快速灵敏的多模式光学传感器方面也取得了显著进展[20]，[21]。利用催化底物（3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、邻苯二胺（OPD））以及纳米酶本身的光学性质，可以实现用于自校准功能的多模式光学信号输出[16]。一般来说，基于纳米酶的自校准多模式光学分析依赖于催化性能的增强[42]。已采用多种策略来调控纳米酶的催化活性，如表面功能化[23]，[41]、形貌和尺寸调控[22]，[7]、成分调控[32]，[6]、缺陷工程[34]，[36]以及异质结构建[33]。在这些策略中，通过管理界面和协同效应可以显著增强异质结纳米酶的催化性能[8]。由于同质金属中心的特性，表面引发技术是制备异质结以增强纳米酶催化活性的更有效策略[13]，[18]。解离的金属离子充当两层之间的"电子桥"，促进高效电子转移和牢固的界面耦合，从而增强催化活性[20]，[21]，[37]。因此，开发高性能同质异质结纳米酶是构建用于自校准光学检测的多模式传感器的有效途径。

在本文中，我们通过表面引发策略将TCPP-Fe封装在磁性Fe₃O₄上，提出了一种具有同质异质结构的混合纳米酶（Fe₃O₄@TCPP-Fe），其类POD活性增强，用于食品中Hg²⁺的自校准比色/荧光双模式分析。在水热条件下，Fe²⁺/Fe³⁺可从Fe₃O₄中释放出来，与TCPP配位形成金属离子的同质结构。同质Fe²⁺/Fe³⁺离子表现出"电子桥"效应，加速Fe₃O₄与TCPP-Fe之间的电子转移，从而显著增强类POD活性。通过Michaelis-Menten方程计算，H₂O₂和TMB的稳态动力学参数K_m分别可达0.072和0.215?mmol/L。此外，自由基清除剂与电子自旋共振（EPR）测量共同证实了产生的活性氧（ROS）（•OH和•O₂^–），随后对详细催化机制进行了研究。在最佳条件下，基于ROS的强氧化性、适配体（ssDNA）的特异性识别、OPD的光学性质以及磁性的分离/富集效应，建立了用于测定Hg²⁺的自校准比色/荧光双模式方法。基于Fe₃O₄@TCPP-Fe开发的该方法展现出有前景的分析性能，包括灵敏性、特异性和稳定性。最后，Fe₃O₄@TCPP-Fe/ssDNA探针被用于各种食品中Hg²⁺的检测，具有良好的回收率、较低的相对标准偏差（RSDs）以及由自校准功能带来的高准确度。我们的发现为增强仿生酶的类POD活性、开发自校准双模式方法提供了一种简单而新颖的策略。

章节摘要

材料

三氧化二铁（Fe₃O₄，97%）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF，99.5%）购自麦克林生物科技（上海）有限公司（中国上海）。氯化铁（FeCl₃·6H₂O，99%）由国药集团化学试剂有限公司（中国上海）提供。聚乙烯吡咯烷酮（PVP，≥95%）购自索莱宝生物科技有限公司（中国北京）。四(4-羧基苯基)卟啉（TCPP，98%）由钛科有限公司（中国上海）提供。无水乙醇

Fe₃O₄@TCPP-Fe的制备与表征

图1展示了通过表面引发策略制备Fe₃O₄@TCPP-Fe同质异质结用于食品中Hg²⁺离子自校准紫外-可见光/荧光双模式检测的过程。在水热反应条件下，Fe²⁺/Fe³⁺离子可从Fe₃O₄（宿主）中解离出来，随后与TCPP（有机配体）配位形成TCPP-Fe（客体）的金属有机框架（MOFs）层（图1a）。位于Fe₃O₄和界面处的同质Fe²⁺/Fe³⁺离子

结论

总之，基于表面引发封装策略，成功制备了一种新型Fe₃O₄@TCPP-Fe同质纳米酶，用于食品中Hg²⁺的自校准比色/荧光双模式检测。TCPP与Fe₃O₄释放的Fe²⁺/Fe³⁺离子之间可发生原位配位反应，实现TCPP-Fe在磁性Fe₃O₄上的表面引发封装（Fe₃O₄@TCPP-Fe）。由于同质Fe²⁺/Fe³⁺离子的存在，可显著增强Fe₃O₄@TCPP-Fe的类POD活性

环境意义

本研究提出了一种具有同质异质结的混合磁性过氧化物酶仿生酶（Fe₃O₄@TCPP-Fe），用于高度毒性和持久性环境污染物Hg²⁺的自校准比色/荧光双模式分析。通过增强催化活性和自校准功能，可以实现Hg²⁺污染的灵敏和准确监测。本工作为设计具有增强类POD活性的混合纳米酶提供了一种通用策略

CRediT作者贡献声明

陈娴：正式分析、数据管理。葛坤：方法学、资金获取、概念构思。顾英：方法学、概念构思。丁苗：撰写——初稿、正式分析、数据管理。李旭先：撰写——初稿、正式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了云南省基础研究计划（基金编号：202501CF070109）和昆明理工大学分析与测试基金（编号：2025T20230090）的资助。

丁苗|李旭先|陈娴|葛坤|顾英