温度响应型PtFe纳米线过氧化物酶模拟阵列用于生物胺的比色鉴别

《Talanta》：Temperature-Responsive PtFe Nanowire Peroxidase Mimetic Array for Colorimetric Discrimination of Biogenic Amines

　　

李莉|张翔|王俊丽|陈正波

新乡大学化学与材料工程学院，中国新乡453003

摘要

快速识别生物胺（BAs）对于确保食品安全、评估产品新鲜度以及预防潜在的健康风险至关重要。为此，我们构建了一种基于PtFe纳米线（NW）过氧化物酶（POD）模拟物的传感器阵列，用于五种生物胺的比色识别。该传感器阵列利用PtFe NWs出色的POD样活性，在H₂O₂的作用下催化3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）的氧化，从而产生显色反应。创新之处在于引入了三种温度作为传感通道，使得PtFe NWs表现出不同的POD样性能。不同生物胺的引入会不同程度地抑制PtFe NWs的催化活性，从而在三种温度下产生不同的颜色响应（“指纹”）。通过线性判别分析（LDA）和机器学习算法，即使在牛肉样本中也能以100%的准确率区分出五种生物胺。总体而言，这项工作建立了一种三通道传感策略，能够快速有效地识别生物胺，具有很强的食品新鲜度评估潜力。

引言

生物胺（BAs）是一类低分子量的含氮有机化合物，由氨基酸的微生物脱羧作用产生。它们常见于富含蛋白质的食品（如鱼类、肉类、乳制品和发酵食品）的腐败过程中，也存在于生物体内的代谢过程中[1]、[2]、[3]、[4]。精胺（Spe）、亚精胺（SSat）、酪胺（Tyr）、组胺（His）和色胺（Try）是食品腐败过程中最典型且含量最多的生物胺标志物。其中，His和Tyr具有较高的生理毒性，过量摄入可能导致头痛、恶心、心悸、血压异常，严重情况下甚至会引起过敏性休克或脑出血；尽管Spe和SSat的毒性相对较低，但它们的异常积累与肿瘤微环境的恶化和癌细胞增殖密切相关，并具有潜在的疾病诊断生物标志物价值；Try主要存在于发酵食品中，在高浓度下具有神经毒性[5]、[6]、[7]。因此，快速、准确、灵敏地检测食品中的生物胺对于确保食品安全和评估食品新鲜度具有重要意义。

目前用于检测生物胺的方法包括拉曼光谱[8]、气相色谱[9]、高效液相色谱[10]、毛细管电泳[11]、电化学分析[12]和荧光传感器[13]、[14]。虽然这些方法具有高准确性和灵敏度，但通常受到昂贵设备、复杂操作程序和耗时样品制备的限制，难以满足现场快速检测的需求。相比之下，比色传感器因其低成本、操作简便、响应迅速和可视化方便而受到广泛关注。其中，使用纳米酶作为传感元件的检测平台模拟了天然酶的催化活性，具有显著的应用潜力，因为它解决了天然酶的缺点，如稳定性低以及生产和储存成本高[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。自从发现Fe₃O₄纳米颗粒具有过氧化物酶（POD）样活性[23]以来，已经开发并应用了大量具有POD样活性的纳米酶，用于环境监测、生物传感、疾病诊断和治疗[24]。

尽管单个传感器可以特异性地检测单一目标物质，但在复杂场景中同时识别多个目标是一个挑战。这是因为需要针对每个目标定制传感器，这既耗时又昂贵，并且在许多情况下难以实现。受哺乳动物味觉或嗅觉系统的启发，传感器阵列可以同时检测和识别具有相似结构或化学特性的多个目标[25]、[26]。这些传感器阵列由不同的受体组成，每个目标会产生独特的响应模式（“指纹”），从而能够在复杂基质中区分各种目标[27]、[28]、[29]、[30]。迄今为止，关于基于纳米酶构建用于生物胺识别的比色传感器阵列的论文较少[31]。然而，研究揭示了以下不足：1）需要三种类型的纳米酶（Cu-MOFs、Ce-MOFs和Mn-MOFs）来制备传感平台，这使得传感器阵列的构建变得复杂；2）机器学习在预测和识别未知样本方面存在不足。

基于上述考虑，本文报道了一种使用PtFe纳米线（NWs）作为高效POD模拟物的比色传感器阵列。由于PtFe NW纳米酶出色的POD样行为，它可以在H₂O₂的作用下催化无色的3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）氧化成蓝色的氧化TMB（oxTMB）。不同的目标生物胺通过氢基团或芳香环吸附在PtFe NW表面，PtFe NWs的双金属活性位点受到“束缚”，导致PtFe协同催化作用受到不同程度的抑制。由于PtFe在不同pH环境下的催化能力不同，选择PtFe NWs-TMB-H₂O₂-BA系统的pH调节响应作为识别单元，构建了一个三通道传感器阵列（图1）。借助线性判别分析（LDA）方法和机器学习算法，成功实现了五种生物胺的精确识别和测定，包括精胺（Spe）、亚精胺（SSat）、酪胺（Tyr）、组胺（His）和色胺（Try）。

章节片段

材料

铂（II）乙酰丙酮酸盐（Pt(acac)₂、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、铁（III）乙酰丙酮酸盐（Fe(acac)₃、六羰基钨（W(CO)₆、3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）、油胺和过氧化氢（H₂O₂，30%，w/v）购自Innochem。精胺（Spe）、亚精胺（SSat）、酪胺（Tyr）、组胺（His）、色胺（Try）、组氨酸（Hist）、精氨酸（Arg）、谷氨酸（Glu）、尸胺（CAD）和腐胺（PUT）购自Sigma。所有试剂均

PtFe NWs的合成与表征

首先，通过高温热分解法（图1A）合成了PtFe NWs，其中油胺同时作为溶剂和配体。金属前体Pt(acac)₂、Fe(acac)₃和W(CO)₆在170°C下热分解，CTAB用于调控PtFe NWs的生长。HAADF-STEM图像（图1B）显示产物主要为一维（1D）纳米线形态。EDS映射（图1C）证实了Pt和Fe元素的存在及其

结论

总结来说，我们开发了一种基于温度调控的PtFe NW纳米酶的比色模式传感器阵列，用于生物胺的区分。主要发现如下：首先，PtFe NWs在三种不同温度（40、50和60 °C）下表现出不同的POD样活性，仅使用一种纳米酶材料即可构建三通道传感系统；其次，该传感器阵列能够快速区分五种具有不同化学结构和生理特性的生物胺

CRediT作者贡献声明

王俊丽：资源获取、资金筹集。陈正波：撰写 – 审稿与编辑、监督、数据分析、概念化。李莉：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念化。张翔：数据分析、数据管理、概念化

利益冲突声明

我们声明没有利益冲突。

致谢

作者衷心感谢河南省重点科学技术项目（编号222102310380和222102320275）以及国家自然科学基金（编号21801215）的财政支持。