Mn-CDs@Pt纳米酶的高氧化酶样活性及其在智能手机辅助比色检测丙烯酰胺中的应用

《Food Chemistry: X》：Mn-CDs@Pt nanozyme with high oxidase-like activity for smartphone-assisted colorimetric sensing of acrylamide

　　

在此，研究人员制备了锰掺杂碳点（Mn-CDs），并将其用作还原剂将PtCl₆^2?还原为铂纳米颗粒（Pt NPs），形成稳定的Mn-CDs@Pt NPs纳米酶。所制备的Mn-CDs@Pt纳米酶对3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）的氧化表现出高的氧化酶样活性，其米氏常数（K_m）为0.0545 mM，最大初始速率（V_max）为3.42 × 10^?7 M s^?1。通过利用Mn-CDs@Pt纳米酶优异的氧化酶样活性，并结合谷胱甘肽（GSH）与丙烯酰胺（AA）之间的硫醇-烯迈克尔加成反应，构建了用于AA检测的灵敏比色传感界面。采用紫外-可见（UV–vis）测量，该AA检测比色传感器显示出0.05至5000 μM的宽线性检测范围和0.0371 μM的检测限（LOD）。此外，智能手机辅助检测AA获得的线性范围为5至5000 μM，LOD为4.35 μM。该比色传感器已应用于实际样品中AA的检测，回收率在94.8%–110.4%之间，结果令人满意。此外，实际样品中AA的检测结果与使用标准高效液相色谱（HPLC）方法检测的结果具有良好的一致性，表明所提出的比色方法在食品安全和质量监测中具有AA检测的潜力。

丙烯酰胺（AA）是食品在超过120 °C加工过程中形成的有害污染物，被国际癌症研究机构列为2A类致癌物，欧盟已对多种食品设定了AA基准值，因此高效检测AA对食品安全监控至关重要。国家标准中LC-MS/MS和GC–MS方法准确但依赖昂贵设备和专业操作，难以满足常规快速检测需求。近年来，基于纳米酶的比色传感器因快速、低成本、可裸眼或智能手机判读而受到关注，但贵金属纳米酶如铂纳米颗粒（Pt NPs）易团聚，导致催化活性下降。碳点（CDs）具有还原性和酶样活性，但活性有限。研究人员设计利用锰掺杂碳点（Mn-CDs）作为还原剂和稳定剂，原位还原PtCl₆^2?制备Mn-CDs@Pt NPs复合纳米酶，以期提升氧化酶样活性并构建AA比色传感平台。

研究人员通过水热法以柠檬酸钠和MnCl₂制备Mn-CDs，再以Mn-CDs为还原剂，在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）辅助下于120 °C还原PtCl₆^2?得到Mn-CDs@Pt NPs。采用透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见光谱和荧光光谱等对材料进行了表征。以3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）为底物考察了纳米酶的稳态动力学，并用电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）研究电子转移过程。通过溶解氧实验、自由基清除剂（p-苯醌、异丙醇、色氨酸）和电子顺磁共振（EPR）确定了催化过程中产生的活性氧（ROS）种类。检测原理基于GSH对氧化态TMB（oxTMB）的还原褪色作用，以及AA与GSH之间的硫醇-烯迈克尔加成消耗GSH，使蓝色恢复。实际样品为当地市场购买的面包、薯片和饼干，经QuEChERS方法前处理后进行加标回收实验，并与高效液相色谱（HPLC）标准方法对照。

结果与讨论部分的主要发现如下：

3.1 Mn-CDs和Mn-CDs@Pt NPs的表征：TEM显示Mn-CDs呈球形，平均粒径为1.39 ± 0.20 nm，晶格间距0.217 nm对应石墨碳（100）面；Mn-CDs@Pt NPs平均粒径为2.61 ± 0.66 nm，晶格间距0.228 nm对应Pt（111）面，证实Pt成功负载。XPS结果表明Pt 4f谱中Pt⁰占比约93.3%，Mn以+3价为主要价态；与Mn-CDs相比，Mn-CDs@Pt NPs中氧含量下降，说明Mn-CDs表面的含氧基团参与了PtCl₆^2?的还原。

3.2 氧化酶样活性及机制：动力学实验测得Mn-CDs@Pt NPs催化TMB氧化的K_m为0.0545 mM，V_max为3.42 × 10^?7 M s^?1，初始速率是Mn-CDs的5.92倍、CDs的57.3倍，显示其对TMB具有高亲和力和高催化效率。溶解氧实验显示充O₂后吸光度增加40.7%，充N₂后降低61.7%，表明溶解氧是电子受体。自由基清除实验显示超氧阴离子（O₂^•?）清除剂显著抑制显色，而羟基自由基和单线态氧清除剂影响微弱；EPR谱出现DMPO-OOH特征信号，确认O₂^•?是主要活性氧物种。

3.3 丙烯酰胺的检测机制：GSH可还原oxTMB使蓝色褪去；当AA存在时，AA与GSH发生硫醇-烯迈克尔加成，消耗GSH，使oxTMB恢复，溶液重新变蓝。因此，通过监测652 nm处吸光度变化可定量AA。

3.4 比色检测丙烯酰胺：在优化条件（显色时间7 min、GSH浓度0.3 mM、迈克尔加成时间1.5 h）下，AA浓度在0.05–5000 μM范围内与吸光度呈良好对数线性关系，线性方程为Abs = 0.0849lgC_AA (μM) + 0.330（R² = 0.992），LOD为0.0371 μM。选择性实验表明，该传感器对AA具有特异性，常见干扰物（琥珀酸、天冬酰胺、马来酸、甲基丙烯酰胺、咖啡酸、葡萄糖、半胱氨酸）无明显响应。Mn-CDs@Pt NPs储存25天后活性几乎不变，RSD为0.94%，稳定性良好。

3.5 智能手机辅助检测：利用手机采集不同AA浓度下的反应溶液照片，经RGB分析得到B/G比值与AA浓度在5–5000 μM范围内呈线性关系，LOD为4.35 μM，可满足现场半定量检测需求。

3.6 实际样品分析：面包、薯片和饼干中AA的检测结果与HPLC方法一致，加标回收率为94.8%–110.4%，表明该方法在复杂食品基质中具有较好的准确性和可靠性。

讨论部分指出，该方法仍存在依赖光照条件、GSH-AA反应时间窗口较窄、灵敏度低于实验室大型仪器等局限性，未来计划引入分离模块并标准化检测环境以增强其稳健性。结论部分总结：研究人员成功制备了Mn-CDs@Pt NPs纳米酶，其具有高氧化酶样活性和良好储存稳定性；基于GSH抑制和硫醇-烯迈克尔加成构建的比色传感器具有宽线性范围、低检测限和良好选择性，且实际样品检测结果与HPLC一致，为食品中丙烯酰胺的快速筛查提供了可行方案。