设计并制备具有双重功能纳米酶活性的 hollow metal-azolate (中空金属-azolate)框架衍生物,用于实现对水果总抗氧化能力的双模式检测

《Analytica Chimica Acta》:Design and fabrication of hollow metal-azolate framework derivatives with dual-functional nanozyme activity for dual-mode detection of total antioxidant capacity in fruits

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月22日 来源:Analytica Chimica Acta 6.1

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  摘要背景总抗氧化活性(TAC)是评估食品综合抗氧化能力的重要指标,其准确检测对于评估食品的健康价值及指导饮食选择具有重大意义。结果本研究构建了一种基于铁掺杂 hollow 碳氮化物化合物(h-Fe@NC)的比色法和智能手机辅助的双模式传感平台,用于检测 TAC。系统表征表明,形成

  

摘要

背景

总抗氧化活性(TAC)是评估食品综合抗氧化能力的重要指标,其准确检测对于评估食品的健康价值及指导饮食选择具有重大意义。

结果

本研究构建了一种基于铁掺杂 hollow 碳氮化物化合物(h-Fe@NC)的比色法和智能手机辅助的双模式传感平台,用于检测 TAC。系统表征表明,形成的 Fe–N 配位结构显著增强了 h-Fe@NC 的催化性能。h-Fe@NC 具有类似过氧化物酶和氧化酶的活性,对底物 TMB 和 H2O2 有很高的亲和力。机制研究表明,h-Fe@NC 可以催化 H2O2 生成 O2•? 和 •OH 自由基,从而氧化 TMB,使吸光度显著增加。通过密度泛函理论计算催化过程,证实 h-Fe@NC 具有高纳米酶催化活性。使用抗坏血酸(AA)这种典型的抗氧化剂捕获上述自由基会抑制颜色反应,导致吸光度和颜色发生相反变化。基于此,建立了一种基于吸光度和颜色信号的双模式检测方法,该方法具有 1.0–40 μM 的宽线性范围和 0.41 μM 的低检测限。该方法成功应用于橙子、葡萄和猕猴桃样品中 TAC 的定量分析,结果与标准方法获得的结果一致。

意义

这项研究为快速灵敏地检测水果中的 TAC 提供了一种新的策略。

引言

体内活性氧(ROS)的过度积累已被认为是导致显著氧化应激的原因,这种氧化应激会破坏氧化还原平衡,从而促进各种病理状况的发展[1],[2],如癌症、阿尔茨海默病、糖尿病和心血管疾病。抗氧化剂通常被定义为能够延迟、抑制或中和氧化损伤的物质,并能帮助清除体内的多余 ROS,从而缓解氧化应激并支持身体的天然抗氧化防御系统[3],[4]。然而,人体无法内源性合成许多重要的抗氧化剂;因此,必须从外部来源获取,例如水果和其他富含营养的食物。抗坏血酸(AA)是一种天然存在的有机化合物,存在于水果和蔬菜中,在大多数研究中通常用作评估总抗氧化能力(TAC)的参考抗氧化剂[5],[6]。TAC 是衡量食品中多种抗氧化剂累积活性的重要指标[7],[8]。因此,开发有效的食品 TAC 测定方法对食品营养评估和健康促进具有重要的实际意义。到目前为止,已经采用了多种方法来分析 TAC,包括比色法[9]、化学发光法[10]、荧光法[11]、电化学方法[12]等。其中,由于操作简单、成本效益高和优异的视觉检测能力,比色法已成为检测 TAC 的重要方法[13],[14]。
纳米酶是一类具有类似天然酶催化活性的纳米材料[15],[16]。这些纳米材料表现出高催化效率、优异的稳定性和简便的合成方法,使其成为各种应用中天然酶的有前途的替代品[4],[17],[18]。已经开发了多种纳米材料,并广泛应用于分析测试[19]、食品安全[20]、生物传感[21]、医学诊断[22]和治疗[23]等领域,代表性材料包括贵金属[24]、金属氧化物[25],[26]、碳基纳米材料[27],[28],[29]、量子点[30],[31]和金属有机框架(MOFs)[32],[33],[34]。基于 MOFs 的纳米酶可以克服传统纳米酶的一些限制。它们表现出稳健的稳定性、可调节的催化活性和良好的重复使用性,使其成为生物传感、环境修复和生物医学应用的理想候选者。此外,它们出色的稳定性、适应性和与其他材料的混合能力使它们成为实时诊断和生物分析应用的理想选择[35],[36],[37]。金属唑酸盐框架(MAF)是 MOFs 的一个子类,由金属离子和有机配体通过配位网络组装而成。MAF-7 是通过锌离子和 3-甲基-1,2,4-三唑之间的配位反应形成的[38]。据报道,MAF-7 具有与 ZIF-8 相同的菱形十二面体形态[39],[40]。然而,它们的配体结构有所不同:ZIF-8 使用 2-甲基咪唑作为配体,其氮原子比 MAF-7 的配体少一个。这种结构差异赋予了 MAF-7 独特的性质。由于其高孔隙率、增强的亲水性和生物相容性等显著特点,MAF-7 广泛引起了研究人员的关注。值得注意的是,带有亲水支架的 MAF-7 已成为一种新的酶固定化材料,具有高封装效率。这有利于保持酶的天然构象,从而保持其催化活性[41]。另一方面,MOFs 由过渡金属节点和灵活的结构组成,可以生成大量催化活性位点[42],[43]。
受到 MOFs 作为酶固定化载体和人工酶双重功能的启发,通过一步搅拌合成方法将 Hemin 封装在 hollow MAF-7(h-Hemin@MAF-7)内,然后进行高温煅烧以获得铁掺杂的 hollow 碳氮化物化合物(h-Fe@NC)(图 1A)。h-Fe@NC 具有双重酶活性,能够将无色的 TMB 转化为蓝色的氧化 TMB(oxTMB),同时吸光度显著增加。当系统中存在 AA 时,可以抑制 TMB 形成 oxTMB 的过程。基于这些优势,本研究建立了基于 h-Fe@NC-TMB 的比色法和智能手机辅助监测系统,用于定量测定水果中的 TAC,表现出极高的特异性、灵敏度和选择性。

章节片段

h-Hemin@MAF-7 的合成

h-Hemin@MAF-7 的合成遵循了基于先前报道方法的改进程序[38]。在典型过程中,将 Zn(NO3)2·6H2O (3 mmol) 溶解在 25 mL 的超纯水中。在磁力搅拌下,加入 Hemin (125 mg),然后缓慢加入 1.8 mL 的 25%(w/w)氨水溶液。加入氨水后,Hemin 逐渐溶解,溶液变为棕黑色。最后,加入 25 mL 含有 Hmtz 的水溶液(

结果与讨论

本研究合成了具有 hollow 球形结构的新型 MAF-7,这与传统的菱形十二面体形态不同。在此基础上,通过 Hemin 掺杂并煅烧制备了 h-Fe@NC 并对其进行了系统表征。研究表明,h-Fe@NC 具有类似酶的催化活性,并对 TMB 和 H2O2 有极高的亲和力。机制分析显示,h-Fe@NC 可以催化生成

结论

本研究通过搅拌法制备了封装 Hemin 的 hollow MAF-7,然后进行高温煅烧。所得到的 h-Fe@NC 显示出显著的纳米酶活性,能催化常见显色底物的氧化,并表现出双重过氧化物酶和氧化酶样功能。动力学分析显示,TMB 的 Km 值为 0.0416 mM,H2O2 的 Km 值为 0.0101 mM,表明其具有优异的底物亲和力。机制研究表明,h-Fe@NC 可以生成 O2•? 和 •OH

CRediT 作者贡献声明

黄启桐: 文稿撰写 – 审阅与编辑,监督。张汉强: 文稿撰写 – 审阅与编辑,监督,资源获取,研究设计,资金筹集,概念化。李楠: 研究。谢海瑶: 软件开发。王浩杰: 可视化,研究,形式分析。廖娜: 可视化,研究。黄一红: 文稿撰写 – 初稿,可视化,研究,资金筹集,概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了江西省自然科学基金(项目编号:20252BAC240488)和赣南医科大学的科学研究启动资金(项目编号:QD202309)的支持。作者感谢赣南医科大学的科学研究中心提供了 SEM、TEM、XRD 和拉曼测量服务,以及 Scientific Compass(www.shiyanjia.com)提供的 XPS、BET 和 FTIR 测量服务。此外,我们还要感谢理论和计算化学领域的相关支持
黄一红|王浩杰|廖娜|李楠|谢海瑶|黄启桐|张汉强
中国赣州市赣南医科大学药学院;医学与信息工程学院,组织工程江西省重点实验室;赣南医科大学科学研究中心,341000
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