一种创新的纸质双模传感器，结合荧光与比色法，利用CeO2@UiO-66-NH2纳米酶实现槲皮素的灵敏检测

《Talanta》：An innovative paper-based dual-mode sensor integrating fluorescence and colorimetry for sensitive detection of quercetin via CeO2@UiO-66-NH2 nanozyme

　　

张万毅|周晨宇|王汉波|陈宇涵|夏婷婷|苏行光

中国吉林省长春市吉林大学化学学院分析化学系，邮编130012

摘要

槲皮素是一种强效的天然抗氧化剂，因其显著的健康益处而备受关注，这些益处包括预防心血管疾病、过敏、糖尿病和癌症。作为一种有前景的功能性食品成分，迫切需要快速、灵敏且便携的方法来检测各种产品中的槲皮素含量。在本研究中，我们提供了一种基于二氧化铈纳米粒子锚定的金属有机框架（CeO₂@UiO-66-NH₂）纳米复合材料的便携式双模式纳米酶驱动传感器。这种纳米复合材料具有出色的氧化酶样活性和内在荧光特性，能够催化无色的N,N-二乙基对苯二胺氧化为粉色产物，该产物通过内滤效应使CeO₂@UiO-66-NH₂在458纳米处的荧光熄灭。槲皮素的存在可以抑制活性氧的生成，从而减弱氧化反应并恢复荧光。我们建立了一种基于纸张的荧光比色双模式传感平台，无需复杂仪器即可实现快速可视化检测。所提出的方法具有1-60微摩尔的宽线性响应范围，其比色/荧光以及纸质比色/荧光的检测限分别为0.35、0.27、0.37和0.29微摩尔。这种双模式传感器具有优异的分析灵敏度和选择性，已在实际蔬菜和果汁样品中得到成功应用，为食品和功能性食品成分中的槲皮素监测提供了可靠高效的工具。

引言

槲皮素是一种典型的多羟基黄酮类化合物，广泛存在于许多植物的种子、芽、树皮、叶子、花朵和果实中[1]，同时也存在于洋葱、大葱、黑加仑、苹果、芒果和葡萄酒等许多食物中[2]。槲皮素因其在预防心血管疾病[3]、肾脏损伤[4]、溃疡[5]、糖尿病[6]和癌症[7]方面的作用而受到广泛关注。此外，槲皮素已获得监管批准，可作为功能性食品成分或膳食补充剂在欧洲和美国市场广泛应用[8]。

槲皮素被视为维持人类健康的关键膳食成分[9]。为了测定生物样本和食品基质中的槲皮素含量，研究人员开发了多种定量分析技术，包括电化学方法[10]、荧光法[[11],[12],[13]]、拉曼光谱法[14]、高效液相色谱法[HPLC][15]、HPLC串联质谱法[16]、固相微萃取法[17]以及表面辅助激光解吸/电离质谱法[18]。但这些方法存在需要大型仪器、操作流程复杂以及单一模式导致信号不稳定的缺点。因此，有必要开发一种创新、低成本且便携的双模式传感器来检测槲皮素。

二氧化铈是催化领域最重要的稀土氧化物之一，其特点是存在氧空位以及Ce⁴⁺/Ce³⁺的快速氧化还原转换[19,20]。由于其独特的催化性能，如氧化酶样[21]、尿酸酶样[22]、过氧化氢酶样[23]和过氧化物酶样活性[24]，二氧化铈被广泛使用。吴等人通过在空心二氧化铈中嵌入二茂铁羧酸，制备出了具有高过氧化物酶样活性的纳米球，用于检测肉类新鲜度[25]。其强大的催化效率使其在构建分析传感平台方面发挥着重要作用。更重要的是，其出色的氧化能力、低成本和热稳定性使其成为贵金属基催化剂的理想替代品。

金属有机框架是一种由有机和无机成分构成的混合材料，具有多种特性，包括众多的金属位点、较大的比表面积和孔隙率[26,27]。MOF中未饱和的金属位点可作为路易斯酸中心，充当催化活性位点[28]。具有良好荧光特性且功能基团易于修饰的荧光MOF材料，在检测多种分析物方面得到了广泛应用，包括金属离子[29]、生物胺[30]和抗生素[31]。岳等人开发了一种基于智能手机的荧光方法以及一种由Eu³⁺功能化的UiO-66-NH₂构成的比率荧光探针，用于检测食品中的四环素[32]。虽然许多MOF在溶液环境中存在结构不稳定的问题，但UiO-66-NH₂在水环境中表现出极佳的水解稳定性，即使在强烈的酸性环境和高温条件下也能保持结构完整[33]，这使其非常适合集成到分析检测和传感系统中。

在此，我们通过静电吸附法制备了负载有二氧化铈纳米粒子的UiO-66-NH₂纳米复合材料（CeO₂@UiO-66-NH₂）。CeO₂@UiO-66-NH₂具有更高的氧化酶样活性，能够催化显色底物DPD转化为粉色氧化DPD，后者在510纳米和550纳米处有紫外-可见吸收峰。此外，CeO₂@UiO-66-NH₂在458纳米处还显示出明显的荧光发射。氧化DPD的紫外-可见吸收光谱与CeO₂@UiO-66-NH₂的荧光发射有显著重叠，从而产生了内滤效应，使CeO₂@UiO-66-NH₂的荧光熄灭。作为强效抗氧化剂的槲皮素可以抑制CeO₂@UiO-66-NH₂对DPD的催化氧化，减少氧化DPD的生成量，进而降低510纳米处的紫外-可见吸收峰强度。这样，CeO₂@UiO-66-NH₂的荧光就会恢复，从而实现了槲皮素的比色/荧光双模式检测。随后，将CeO₂@UiO-66-NH₂纳米复合材料固定在纸张基底上，便于进行可视化检测（图1B）。这样，我们就开发出了一种用于槲皮素双模式检测的便携式纸质传感平台。这种纸质传感平台兼具高灵敏度、优异的选择性以及便于现场使用的特点，能够准确量化成分复杂且存在干扰物质的各类食品中的槲皮素含量。

章节节选

试剂与仪器

四氯化锆（ZrCl₄）、六水合硝酸铈（Ce(NO₃)₃·6H₂O）、L-精氨酸和2-氨基对苯二甲酸均购自上海阿拉丁试剂公司。N,N-二乙基对苯二胺由上海麦克林生化有限公司提供。甲醇和N,N-二甲基甲酰胺则购自上海华药化学试剂有限公司。所有分析级化学品均直接使用，无需进一步纯化。

紫外-可见吸收光谱与荧光检测

CeO₂@UiO-66-NH₂的表征

如图S1所示，UiO-66-NH₂呈现出均匀的八面体形态。所合成的CeO₂@UiO-66-NH₂的表面负载有许多二氧化铈纳米粒子（见图2A和B）。图S2A–B显示，CeO₂@UiO-66-NH₂的粒径约为125纳米。图2B插图中的高分辨率透射电子显微镜图像显示，其晶格条纹的层间间距为0.31纳米，这与二氧化铈的(111)晶面相对应。

结论

在本研究中，我们成功合成了一种具有优异氧化酶样活性和良好荧光特性的新型CeO₂@UiO-66-NH₂纳米复合材料。通过将CeO₂@UiO-66-NH₂与显色底物DPD结合，我们开发了一种纸质传感平台，可实现快速、经济且环保的槲皮素检测。该CeO₂@UiO-66-NH₂/DPD传感系统表现出良好的分析性能，具有宽的线性响应范围（1-60微摩尔）以及较低的检测限

CRediT作者贡献声明

张万毅：概念设计、数据整理、实验研究、结果验证、初稿撰写。 周晨宇：正式分析、实验研究。 王汉波：数据整理、软件应用。 陈宇涵：软件应用。 夏婷婷：数据整理。 苏行光：资金获取、项目管理、资源协调、总体监督。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：22374058）、中国吉林省科学技术发展计划（编号：20220402001 GH）、中国电分析化学国家重点实验室开放基金（编号：SKLEAC202201）的支持。