基于协同仿生酶催化和光致发光增强的比率测量技术，用于磷酸盐的痕量检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Synergistic biomimetic enzyme catalysis and photoluminescence enhancement-based ratiometric technique for trace-level detection of phosphate

　　

谢晓明|姜乐|田硕|王宝玉|杨卓宇|侯小雷|吴志娜|王顺|王梦珂

中国山西省忻州市忻州师范学院化学系，邮编034000

摘要

准确测定乳制品中的磷酸盐（Pi）含量对于保护消费者健康和维持产品质量标准至关重要。本文开发了一种结合协同仿生酶催化与光致发光（PL）增强的传感平台，用于乳制品中微量Pi的比率检测。首先，设计了一种新型的掺铈ZnO纳米花（CeZnO），该纳米花兼具类似水解酶（HYD）的纳米酶活性和PL限制效应。通过简单的自组装，将金纳米团簇（AuNC）限制在CeZnO上形成复合材料（ACZO），以增强AuNC的PL。ACZO材料保留了CeZnO的磷酸酶样活性，能够催化4-甲基伞形花酯磷酸盐的水解，产生456 nm的蓝光发射。磷酸盐的存在会抑制ACZO的催化活性所生成的荧光。因此，通过利用酶促水解产物（456 nm）与AuNC稳定内部参考信号（600 nm）之间的差异响应，实现了Pi的比率检测。此外，该技术在测定乳制品中总Pi含量方面的应用表现出高灵敏度和可靠性。通过将催化和PL增强功能集成到一个平台上，这项工作开创了一种新的比率PL检测Pi的方法，其检测限低至129.7 nM。这打破了传统的单一功能范式，为食品安全监测建立了一个多功能平台，并为设计多功能纳米酶复合材料提供了新途径。

引言

在食品工业中，乳制品因其丰富的营养成分和广泛的消费者基础而备受重视。随着加工技术的不断进步，基于磷酸盐（Pi）的添加剂被广泛用于乳制品中，以改善质地、稳定性和风味[1]。然而，过量摄入磷酸盐可能对健康构成潜在风险，尤其是对于肾功能受损或需要限制矿物质摄入的人群[2]。例如，根据中华人民共和国国家标准，乳制品及乳制品中磷酸盐添加剂的最大允许量为5 g/kg（以PO₄^3?计）。因此，准确测定乳制品中的磷酸盐含量不仅对于规范食品添加剂的使用和确保食品安全至关重要，也为营养标签和质量控制提供了科学依据。

目前，检测Pi的分析技术主要包括PL方法[3]、比色法[4]和电化学方法[5]等。其中，基于PL的方法因其显著的选择性、高灵敏度、快速响应和操作简便性而受到广泛关注[6]。然而，传统的单信号PL传感器存在固有局限性，如易受环境干扰和在复杂样品基质中的稳定性差，这严重限制了它们的实际应用[7]。为了解决这些问题，近年来出现了比率PL传感策略，并取得了实质性进展[8]、[9]。一般来说，比率PL探针设计有两个不同的发射峰，它们对目标分析物的响应趋势相反[10]、[11]。使用发射强度比不仅可以放大输出信号，从而提高检测灵敏度，还内置了自校准功能，有效减轻了环境波动和仪器不稳定造成的干扰[12]、[13]。这种双重参考机制显著提高了检测过程的可靠性和准确性。徐团队开发了一种比率PL探针BA-Eu@Tb-GMP，用于定量检测Pi[14]，该探针基于磷酸盐离子通过竞争性配位取代Tb³⁺的原始配体，从而破坏其绿色PL并减弱能量传递到Eu³⁺。基于Pi与Tb³⁺的配体H₃BTB之间的竞争性配位，Li团队开发了一种比率检测Pi的方法[15]。这些是高效的实验室检测方法，但在实际应用之前必须解决其稳定性和抗干扰能力问题。因此，继续开发高性能的比率PL传感器，以在复杂环境中高效准确地监测磷酸盐，仍是该领域的重要研究方向。

金纳米团簇（AuNC）由于其独特的光学性质、优异的生物相容性和易于表面功能化而在生物医学传感领域引起了广泛关注[16]、[17]。特别是基于AuNC的比率PL传感器因其消除环境干扰和提高检测准确性的固有优势而受到越来越多的关注[18]、[19]。例如，宋团队构建了一种基于MoS2量子点和AuNC的比率PL传感器，利用Ce³⁺诱导的聚集诱导PL增强效应以及Pi对PL的抑制作用，实现了对碱性磷酸酶的高灵敏度检测[20]。杨等人构建了一种“开启型”比率传感器，用于检测代森锰锌，该传感器基于氮掺杂碳量子点和AuNC，并结合了光致发光和二阶瑞利散射信号[21]。然而，超小尺寸的AuNC（< 3 nm）面临高表面能和易聚集的挑战，这严重限制了它们的实际应用[22]、[23]。此外，AuNC在光物理过程中的辐射转换效率通常较低，导致PL量子产率较低[24]、[25]，这是阻碍其进一步发展的关键科学瓶颈。研究人员提出将AuNC封装在特定宿主材料中，通过空间限制效应来提高其PL性能。多种多孔或层状材料，如金属有机框架[26]、二氧化硅[27]和层状双氢氧化物[28]，已被成功用于提高AuNC的发光强度和稳定性。然而，现有宿主材料的功能性仍然相对有限；大多数仅作为PL增强载体，未能充分利用其在催化、识别或响应性方面的潜在协同作用。因此，开发具有PL增强功能与辅助功能（如催化活性）的新型多功能宿主材料，对于推进AuNC在复杂生物传感系统中的实际应用具有重要的研究价值。

受上述研究背景的启发，我们首次设计了一种掺铈ZnO纳米花状材料（CeZnO），它集成了PL增强宿主和类似水解酶（HYD）的纳米酶的功能（图1）。通过简单的自组装过程，在CeZnO复合材料（ACZO）表面制备了AuNC，其中CeZnO显著增强了AuNC的PL，使其量子产率提高了六倍以上。基于其类似HYD的催化活性，ACZO有效催化了4-甲基伞形花酯磷酸盐（MeUP）的水解，生成4-甲基伞形花酮（MeU），后者在456 nm处显示特征性的蓝光发射。同时，ACZO保持了金纳米团簇在600 nm处的橙色PL。值得注意的是，磷酸盐的存在显著抑制了ACZO的催化活性，导致456 nm处的荧光强度显著降低，而600 nm处的PL基本保持不变。通过利用这两个通道之间的差异响应，建立了一种比率检测磷酸盐的传感策略。所提出的方法成功用于测定乳制品中的总Pi含量，证明了可靠的检测性能和实际应用性。

部分摘录

材料与试剂

材料和试剂的详细信息见补充材料。

CeZnO、CeO₂和ZnO的制备

将1.0 g Zn(CH₃COO)₂·2H₂O和0.2 g (NH₄)₂Ce(NO₃)₆加入含有100 mL H₂O的250 mL烧杯中。完全溶解后，缓慢向上述溶液中加入3.4 mL氨溶液（30 wt% NH₃·H₂O），并在剧烈搅拌下持续5分钟。然后将得到的透明溶液在80°C的水浴中加热40分钟。自然冷却至室温后，收集CeZnO沉淀物

如图1A所示，掺铈ZnO纳米花状材料（CeZnO）是通过氨辅助共沉淀法合成的。使用SEM和TEM成像检查了合成材料的形态特征。如图1B所示，所得ZnO具有明显的花状结构，尖端有多个分支。图1C显示CeO₂呈现出蓬松的聚集纳米颗粒形态。从SEM（图1D）和TEM图像（图S2）可以看出

结论

总之，ACZO纳米结构具有协同的HYD模拟活性和PL增强效应，首次创新性地开发了一种Pi传感的比率方法。本研究的主要特点如下：（1）专门设计了同时具有HYD样活性和PL限制效应的CeZnO，打破了传统功能材料通常具有单一用途的范式。（2）得益于强烈的限制效应，CeZnO

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

本工作得到了国家自然科学基金（22404044）、河南省重点研发与推广项目（252102311165）、郑州市医疗卫生领域科技创新引导计划项目（2025YLZDJH350）、山东省自然科学基金（ZR2023QB145）、河南省AIMS专业发展基金（JBKY250302）以及河南省医学科技联合共建项目的支持