基于Mn@PDBA纳米酶的高选择性、高灵敏度智能手机辅助纸基比色传感器用于快速痕量检测叔丁基氢醌

《Talanta》：A Selective and Sensitive Smartphone-Assisted Paper-Based Colorimetric Sensor for Rapid Trace Detection of tert-Butylhydroquinone Using Mn@PDBA Nanozyme

　　

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  开发了一种具有类过氧化物酶活性的Mn-MOF纳米酶用于TBHQ检测。
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  实现了痕量TBHQ检测，检测限（LOD）为67 nM，线性范围为0.1-50 μM。
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  智能手机试纸条平台实现了便携式、免仪器的TBHQ检测。
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  对其他酚类抗氧化剂（BHA、BHT和PG）表现出优异的抗干扰选择性。
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  在休闲食品中进行了验证，回收率为95.71–108.50%，RSD < 1.50%。

引言

脂质氧化是食品加工和储存过程中导致品质劣变、营养损失和不良风味形成的主要原因之一。为延缓这种氧化降解，抗氧化剂被广泛应用于食品体系中。其中，特丁基对苯二酚（TBHQ）是最有效的酚类抗氧化剂之一，因其具有强大的自由基清除能力和热稳定性，被广泛运用于食用油脂、油炸食品和富脂产品中[1]。然而，过量或不当使用TBHQ可能带来潜在的致癌风险，包括细胞毒性、肝肾损伤和过敏反应[2]。为保障消费者健康，各国监管机构已为TBHQ制定了最大残留限量，例如中国的GB 2760标准规定为200 mg/kg，欧盟规定的每日允许摄入量为0.7 mg/kg体重[3], [4]。因此，迫切需要开发一种可靠、灵敏、快速且实时的TBHQ检测方法。

目前已开发了多种TBHQ检测方法，包括色谱技术、电化学分析和光谱方法[5], [6], [7], [8], [9]。尽管这些方法具有较高灵敏度和可靠性，但通常需要昂贵的仪器、繁琐的样品前处理和熟练的操作人员，这限制了其在日常或现场筛查中的应用[10]。相比之下，比色法和荧光法因其响应迅速、操作简单和灵敏度高等优势而备受关注[11]。然而，荧光检测通常需要激发光源和暗室环境，且易受基质自身荧光的背景干扰[12]。而比色法在操作简便性、可视读出和现场适用性方面具有明显优势[13]。

辣根过氧化物酶（HRP）等天然酶已被广泛应用于比色生物传感中，但其高成本和不稳定性限制了实际应用[14]。为克服这些问题，纳米酶因其成本低、稳定性高和催化活性可调等优势而成为有前景的替代方案[15]。然而，最近报道的基于纳米酶的TBHQ比色传感器大多存在选择性有限的问题，因为其他酚类抗氧化剂（如二丁基羟基甲苯（BHA）、丁基羟基茴香醚（BHT）和丙基间羟基苯甲酸酯（PG））由于具有相似的自由基清除特性而常对检测产生干扰[3], [16], [17]。在此背景下，金属有机框架（MOFs）作为纳米酶平台受到了特别关注，其可调的配位环境和丰富的氢键位点为区分结构相似的酚类化合物提供了可能[18], [19]。值得注意的是，锰基MOFs（Mn-MOFs）特别适用于类过氧化物酶应用，因为锰是一种地壳中丰富且廉价的过渡金属，具有多种可变的氧化态（Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺），有利于产生类Fenton催化反应所必需的循环氧化还原[20]。Mn-MOF氧化酶纳米酶已被应用于总抗氧化能力传感[21]。基于MOFs的氧化酶模拟物也已被用于亚硝酸盐检测[22]。此外，锰基纳米酶（包括锰纳米颗粒和Mn-MOFs）通常通过活化溶解氧产生活性氧来表现出类氧化酶活性[23], [24]。受TBHQ自由基清除机制和Mn-MOFs类过氧化物酶活性的启发，我们预期两者的结合有可能实现一种基于原理的TBHQ比色检测策略。

本研究中，我们以2,5-吡嗪二甲酸作为配体合成了Mn-MOF纳米酶（Mn@PDBA），并将其作为类过氧化物酶用于TBHQ检测。H₂PDBA中的吡嗪环相比于常见的H₂BDC连接体提供了额外的配位位点和独特的配位模式，这可能增强对Mn中心的电子调控。与该设计一致，Mn@PDBA能够有效区分TBHQ与其他酚类抗氧化剂（如BHA、BHT和PG），解决了此前纳米酶基传感器中常见的选择性有限问题。此外，Mn@PDBA-H₂O₂-TMB体系表现出良好的底物亲和力和催化效率，可实现痕量TBHQ的灵敏检测。为实现现场实际应用，我们进一步构建了智能手机辅助的纸基试纸条平台，可在无需复杂实验室设备的情况下实现快速免仪器检测。在实际休闲食品样品中，该平台表现出可接受的基质耐受性，结果与标准紫外-可见分光光度法相当，表明其在复杂食品基质中TBHQ定量分析方面的潜力。本研究旨在为食品安全监测提供一种选择性高、便携且用户友好的TBHQ检测策略。

章节摘要

材料与仪器

3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）、无水乙醇（EtOH，纯度>99%）和2,2'-联氮-双(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)（ABTS）购自德安特化工有限公司（武汉，中国）。硫酸锰一水合物（MnSO₄·H₂O）购自融清化工产品有限公司（长沙，中国）。2,5-吡嗪二甲酸（H₂PDBA）购自汇聚化工有限公司（郑州，中国）。N,N'-二甲基甲酰胺（DMF，纯度>99%）购自卡密欧

Mn@PDBA的表征

采用SEM、粒径分析、PXRD、FT-IR和XPS对Mn@PDBA的形成和形貌进行了表征。如图1a和1b所示，SEM观察显示Mn@PDBA呈不规则块状形貌，粒径主要分布在300至550 nm之间，平均粒径约为400 nm。尽管该尺寸大于传统纳米尺度范围（1-100 nm），但具有类酶活性的亚微米MOF颗粒通常被描述为纳米酶

结论

本研究开发了一种基于Mn@PDBA纳米酶的比色平台用于TBHQ的选择性检测。该平台集成了智能手机辅助纸基试纸条用于现场分析和层次聚类算法用于TBHQ水平的快速分类。该方法对其他酚类抗氧化剂具有良好的抗干扰选择性，并在实际休闲食品样品中表现出对痕量TBHQ检测的满意灵敏度，展示了其在食品安全实际

CRediT作者贡献声明

黄晓伟：撰写——初稿撰写。卜清辉：验证。陈亚倩：验证。刘新芳：监督、方法学、概念化。张晓宇：撰写——审稿与编辑、监督、调查研究、概念化。冯勋：监督。周丽娟：监督、资源提供

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22371110）、河南省重点科技计划（242102110102）和河南省卫生和计划生育委员会（LHGJ20210762，LHGJ20191056）的支持。

黄晓伟|卜清辉|陈亚倩|刘新芳|张晓宇|冯勋|周丽娟