分析物诱导铈基金属有机框架的氧化酶样活性增强，用于2-氨基-3-甲基咪唑[4,5-f]喹啉的“开关式”检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Analyte-induced enhancement of oxidase-like activity of cerium-based metal-organic frameworks for “turn-on” detection of 2-amino-3-methylimidazo[4,5- f]quinoline

　　

摘要

在肉类热加工过程中产生的杂环芳香胺是一类具有致癌性和致突变性的化合物，对食品安全和人类健康构成严重威胁。其中，2-氨基-3-甲基咪唑[4,5-f]喹啉被视作最具危害性的物质之一，因此对其监测至关重要。然而，传统的检测方法往往受限于复杂且昂贵的仪器、繁琐的操作流程以及需要专业技能的人员。在本研究中，我们提出了一种基于分析物触发Ce-UiO-66纳米酶氧化酶活性增强的“开关型”比色传感策略来检测IQ。Ce-UiO-66是通过对苯二甲酸与Ce⁴⁺离子的自组装，采用简单的溶剂热法合成的。该纳米酶表现出优异的氧化酶样活性，能够利用氧气生成超氧阴离子，从而催化2,2′-偶氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)的氧化反应。在IQ存在时，静电相互作用促使IQ迅速吸附在带负电的Ce-UiO-66表面，使表面电荷变为正电。这种电荷变化提升了Ce-UiO-66对带负电的ABTS的亲和力，进而显著加速了其氧化速度。基于这一原理，我们建立了这种“开关型”比色传感策略，检测限可达5.41?μM。这种基于Ce-UiO-66纳米酶的检测方法具有高度的选择性和抗干扰能力，能够在复杂的食品基质中有效区分其与结构相似的2-氨基-1-甲基-6-苯基咪唑[4,5-b]吡啶。进一步的实验表明，该策略可成功用于烤肉样品中IQ的检测。这项工作为高污染加工肉类中IQ的快速筛查提供了一种简单、经济且可靠的方法。

引言

肉类在人类营养中起着至关重要的作用，它能提供优质蛋白质、必需氨基酸以及铁、锌等重要矿物质，还有多种B族维生素[1]。为确保肉类的美味与食品安全，人们在食用前通常会对肉类进行油炸、烘烤、烧烤或烟熏等热处理。然而，这种热处理会引发复杂的化学反应，尤其是美拉德反应。正是这种反应导致了杂环芳香胺的产生。在富含蛋白质的动物性食品加工过程中，肌酸、葡萄糖和氨基酸在高温条件下发生反应，从而生成杂环芳香胺，这类物质已被证实与癌症和基因突变有关[2][3]。国际癌症研究机构将8种杂环芳香胺列为可能的人类致癌物（2B类），而2-氨基-3-甲基咪唑[4,5-f]喹啉则被归为可能致癌物质（2A类）[4]。鉴于其对食品安全和人类健康的潜在风险，迫切需要精确可靠的检测方法来准确测定IQ的含量。目前已有几种先进的方法被广泛应用，如高效液相色谱-串联质谱法和酶联免疫吸附试验法[5]。但色谱法往往依赖昂贵且复杂的仪器设备、繁琐的操作流程，以及复杂的抗体筛选和修饰过程，还需要专业技术人员操作，耗时较长，因此限制了其实际应用范围。酶联免疫吸附试验法则存在酶和抗体稳定性差、成本高的问题。虽然也有报道采用荧光法[6][7]和电化学法[8][9]检测IQ，但大多数相关研究都是几十年前进行的，近年来几乎没有新的进展。因此，亟需开发出快速、便捷、高效、经济且易于使用的IQ检测方法。

纳米酶是一种具有天然酶样特性的纳米材料。由于其制备简单、稳定性高、催化活性可调节且可重复使用，纳米酶被视为天然酶的理想替代品[10][11]。它们在生物传感[12]、环境保护[13]以及疾病治疗[14]等诸多领域得到了广泛应用。在生物传感中，纳米酶的作用主要依赖于过氧化物酶样活性。当存在过氧化氢时，这种活性能够催化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺或2,2′-偶氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)等底物的氧化反应，从而导致明显的颜色变化[15]。不过，过氧化氢具有易挥发、不稳定且易自分解的特性，这通常限制了过氧化物酶样纳米酶在生物传感器中的实际应用[16][17]。相比之下，具有氧化酶样活性的纳米酶仅需利用溶解氧即可催化底物转化。它们具有反应条件温和、催化效率高、底物选择性好且环境友好等优点，是构建稳定传感平台的理想选择。

在各类具有氧化酶样活性的纳米酶中，基于金属有机框架的纳米酶被认为具有出色的氧化酶样活性。金属有机框架是由金属节点和有机配体通过配位键自组装而成的多孔晶体材料。它们拥有极高的比表面积、可调控的孔径以及经过精心设计的金属活性位点，这些特性使得它们具有优异的酶样催化性能[18]。此外，金属有机框架的分子筛效应还能实现目标分析物的选择性富集，同时排除大型干扰分子。由于铈元素储量丰富、价态多样、电子壳层结构独特且具有众多活性位点，基于铈的金属有机框架受到了广泛关注[19]。例如，这类材料具有出色的催化活性，这是因为铈的Ce³⁺/Ce⁴⁺价态变化以及其中的氧空位能够提供大量活性位点，并可调控电子结构，从而增强其光催化、电催化和酶样催化性能[20]。另外，基于铈的金属有机框架还具有极强的化学稳定性和热稳定性，且易于功能化处理。再加上其高比表面积、可调控的孔径以及良好的生物相容性，这类材料还可作为药物载体，用于治疗和诊断领域的靶向递送。近期有一些研究探讨了基于铈的金属有机框架在食品安全监测中的应用，不过这些方法大多采用“信号关闭”型的检测模式[21][22]。然而，这类方法的选择性较差，颜色分辨率也较低。而“信号开启”型检测模式则具有更强的抗基质干扰能力，灵敏度和效率更高，同时也能降低出现错误结果的可能性[23][24]。因此，将基于铈的金属有机框架的优异催化性能与“信号开启”型传感策略相结合，用于开发新型生物传感器，有望为食品安全检测提供高效便捷的解决方案。

在本研究中，我们专门开发了一种基于Ce-MOFs的简单“开关型”比色传感策略，用于检测IQ。如图1所示，以对苯二甲酸和(NH₄)₂Ce(NO₃)₆为前驱体，通过溶剂热法制备出了Ce-UiO-66。该纳米酶表现出显著的氧化酶模拟活性，能够利用氧气生成超氧阴离子，从而催化显色底物ABTS氧化为ABTS^·+，进而导致颜色从无色变为绿色。稳态动力学分析表明，Ce-UiO-66对ABTS底物具有很高的亲和力，其米氏常数约为1.25?mM。此外，该纳米酶还具备出色的热稳定性，在25–85?°C的温度范围内仍能保持85%以上的催化活性。IQ可以通过咪唑氮原子配位、静电吸引、氢键作用以及π-π堆叠等方式吸附在Ce-UiO-66表面。IQ与铈活性位点结合后，通过配体到金属的电荷转移机制传递电子，从而触发Ce⁴⁺/Ce³⁺氧化还原循环，生成O₂^·?。这一变化显著加速了ABTS的氧化反应。因此，基于Ce-UiO-66纳米酶的比色传感器具有极高的选择性，响应时间仅为10分钟，检测限为5.41?μM。此外，该方法在检测烤牛肉、烤猪肉和烤羊肉等各类烤肉样品中的IQ含量时也表现出了良好的效果。据我们所知，这是首次将纳米酶用于IQ的比色检测。与大多数基于纳米酶的传感器所采用的“信号关闭”模式不同，我们的Ce-UiO-66系统采用“信号开启”模式，这使得其灵敏度更高，且更能抵抗基质干扰。此外，该传感器对IQ及其类似结构的代表性物质2-氨基-1-甲基-6-苯基咪唑[4,5-b]吡啶能给出不同的响应，这为区分结构相似的杂环芳香胺提供了更多依据。这种由分析物引发的激活机制提高了选择的准确性以及颜色对比度，减少了错误结果的出现，使得该方法在实际样品检测中更加可靠。因此，这种基于Ce-UiO-66纳米酶的“开关型”比色方法，为高温加工肉类产品中IQ的初步筛查提供了一种简单、快速且具有高选择性的手段。

章节摘录

试剂与材料

3,3′,5,5′-四甲基联苯胺、二铵盐型2,2′-偶氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)、L-蛋氨酸、L-酪氨酸和L-色氨酸均购自中国上海的桑根生物技术有限公司。硝酸铈铵、(NH₄)₂Ce(NO₃)₆、对苯二甲酸以及过氧化氢则购自北京化工集团（中国北京）。N,N-二甲基甲酰胺、2,6-二甲基吡啶、肌酸、喹啉以及2-氨基-1-甲基-6-苯基咪唑[4,5-b]吡啶

Ce-UiO-66的制备与表征

Ce-UiO-66是通过溶剂热法合成的，其中硝酸铈(IV)铵作为金属离子源，对苯二甲酸则作为有机桥连剂。如图1A所示，整个合成过程严格按照步骤进行。所得到的Ce-UiO-66粉末呈浅黄色。为确认该材料的成功合成，我们对所得纳米材料进行了全面的表征。透射电子显微镜观察结果（图1B）显示

结论

总之，我们成功地通过溶剂热自组装方法，以对苯二甲酸和铈离子为前驱体，合成了基于Ce-UiO-66的纳米酶。该纳米酶表现出显著的氧化酶样活性以及出色的热稳定性。它能够利用溶解氧生成超氧阴离子，进而催化ABTS和TMB等显色底物的氧化反应。与其他已报道的氧化酶模拟物相比，Ce-UiO-66对TMB的亲和力更强。此外，由于

作者贡献

林雪儿和邹嘉辉负责该研究的构思并撰写了论文初稿。朱冠成负责样品的合成工作，庞林峰负责制作图表，黄艳艳则负责数据的处理以及论文的修改工作。

资金支持

本研究得到了江苏省自然科学基金的资助（项目编号：BK20200764）。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联。

Xueer Lin|Jiahui Zou|Guancheng Zhu|Linfeng Pang|Yuqi Chen|Yanyan Huang

南京林业大学轻工与食品工程学院，中国南京210037