新型納米模擬酶在食品安全分析中的應(yīng)用進(jìn)展

關(guān)樺楠,宋 巖,龔德?tīng)?劉 博,張 娜

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150076)

食品安全問(wèn)題關(guān)系國(guó)計(jì)民生,一直是社會(huì)各界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。在食品科學(xué)領(lǐng)域,酶及其制劑一直被廣泛應(yīng)用于各個(gè)方面。酶法食品分析具有快速分離相似待測(cè)物、檢測(cè)條件易實(shí)現(xiàn)、檢測(cè)速度快等優(yōu)勢(shì),可以用于指示食品生化狀態(tài)。但由于天然酶成本高、難于純化和貯藏條件苛刻等問(wèn)題。在實(shí)際食品安全檢測(cè)中,食品分析常采用其他化學(xué)分析方法和儀器分析法,普遍存在著樣品制備繁瑣、靈敏度和準(zhǔn)確度較低、需要專業(yè)技術(shù)人員和昂貴的設(shè)備作為支撐、難以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的要求等缺點(diǎn)[2]。隨著納米材料的開(kāi)發(fā)、制備及應(yīng)用的成熟,納米粒子已成為監(jiān)測(cè)食品安全性的分析工具。基于無(wú)機(jī)納米材料的新型納米模擬酶可代替?zhèn)鹘y(tǒng)酶應(yīng)用于酶檢測(cè)法,為食品分析領(lǐng)域提供一項(xiàng)方便快捷、穩(wěn)定性好、靈敏性高且特異性強(qiáng)的快速檢測(cè)方法[3]。本文綜述了新型納米模擬酶的理化性質(zhì)、種類,以及在食品安全分析中的應(yīng)用進(jìn)展,旨在為更好地利用新型納米模擬酶材料,進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)并將其與電化學(xué)法、比色法等檢測(cè)方式的結(jié)合提供參考,為新型納米模擬酶的性能優(yōu)化及拓寬應(yīng)用領(lǐng)域提供理論依據(jù)。

1 新型納米模擬酶的概述

1.1 納米酶的理化特性

由于其獨(dú)特的納米級(jí)特性,如高穩(wěn)定性、可比活性、生物相容性和低成本,已成為替代天然酶的新型替代材料?；诩{米材料表面的物理化學(xué)性質(zhì),為改變納米粒子的固有性質(zhì)、改善催化活性、拓寬納米材料應(yīng)用范圍,近年來(lái)通過(guò)形貌粒徑調(diào)控、化學(xué)摻雜、表面修飾和材料復(fù)合設(shè)計(jì)等改善了納米酶的性能,靈敏調(diào)節(jié)納米酶活性的外部觸發(fā)因子,實(shí)現(xiàn)了催化性能可調(diào)控、耐受性強(qiáng)、可重復(fù)利用的性能突破[4-6]。

1.2 納米酶的優(yōu)勢(shì)

納米酶,也稱納米模擬酶,即具有某種或某些酶特征的納米材料。幾十年來(lái)具有催化活性的納米材料被廣泛開(kāi)發(fā)用來(lái)模擬天然酶[7]。納米模擬酶是一種新型的酶模擬物,不僅具有納米材料的獨(dú)特性能,而且具有天然酶的催化活性。與天然酶和常規(guī)人工酶相比,納米酶功能上可依賴于尺寸修飾和生物偶聯(lián)的大比表面積,實(shí)現(xiàn)催化等其他功能,和對(duì)外部刺激的智能響應(yīng);應(yīng)用上具有制備簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、成本低廉、易于保存運(yùn)輸、環(huán)境耐受性高等優(yōu)點(diǎn)[7]。不同的材料可以催化類似的反應(yīng),其中大部分是氧化還原反應(yīng)。其機(jī)理在于多數(shù)無(wú)機(jī)納米材料具有氧化還原性質(zhì),且其反應(yīng)的機(jī)理與酶的催化過(guò)程類似。而反應(yīng)過(guò)程中氧化產(chǎn)物的顏色或熒光變化,以及某些底物的顏色變化,都使其成為檢測(cè)應(yīng)用的理想選擇[8]。同時(shí),模擬酶的開(kāi)發(fā)也打破了一些天然酶應(yīng)用的限制,克服了其穩(wěn)定性差、提取困難、價(jià)格昂貴、催化活性易受多種物理、化學(xué)等因素影響而失活的缺陷[9]。

2 新型納米模擬酶材料的種類

近年來(lái),多種納米材料被發(fā)現(xiàn)可以模擬天然酶的活性,主要包括金屬納米材料、金屬氧化物納米材料、碳基納米材料、金屬有機(jī)框架(Metal-organic frameworks,MOFs)、硫化物納米材料、生物質(zhì)復(fù)合納米材料和其它納米材料[10]。

2.1 金屬納米模擬酶材料

金屬納米材料應(yīng)用較多的是貴金屬,如金納米粒子及納米棒、銀納米粒子和鉑納米粒[11]。還有一些雙金屬和其它金屬納米材料,如Au@M(M=Bi,Pd和Pt)納米材料,Ag@M(M=Au,Pd和Pt)納米材料[12]。

金屬氧化物納米材料應(yīng)用較多的為鐵氧化物納米材料和鈰氧化物納米材料,其中鐵氧化物納米材料可作為類過(guò)氧化物酶、類過(guò)氧化氫酶、類氧化酶等[13],二氧化鈰納米材料可作為超氧化物歧化酶、類過(guò)氧化氫酶、類氧化酶等[14]。除此之外,已開(kāi)發(fā)的還有鈷氧化物納米材料(Co3O4)[15],銅氧化物納米材料(CuO)[16],錳氧化物納米材料(MnO2)[17],釩氧化物納米材料(V2O5/V2O3)[18-19],鈦氧化物納米材料(TiO2)[20],鉬氧化物納米材料(MoO3)[21],釕氧化物納米材料(RuO2)[22],雙金屬氧化物MFe2O4(M=Co,Mn,Zn)[23-25]等。

2.2 碳材料納米模擬酶材料

碳基納米材料包括碳納米管[26]、石墨烯及其衍生物[27]、碳納米點(diǎn)[28]、碳納米角[29]、碳納米團(tuán)簇[30]等,都具有一些酶的活性。金屬有機(jī)框架(MOFs)是指由金屬離子與有機(jī)配體通過(guò)配位鍵連接而成的具有無(wú)限結(jié)構(gòu)的多孔材料,種類繁多,也可以模擬天然酶的催化活性[31]。

2.3 氧化物及其復(fù)合體模擬酶材料

硫化物納米材料,如CuS、MnSe、FeSe,硫化物的模擬酶活性,相比于金屬氧化物模擬酶在酸性條件下穩(wěn)定性更好,同時(shí)拓寬了硫化物納米材料的應(yīng)用范圍[32-34]。

復(fù)合納米材料是通過(guò)組裝不同的納米酶材料,形成的復(fù)雜高效的納米酶復(fù)合體,如Au-Fe3O4復(fù)合物,氧化石墨烯(rGo)-Fe3O4納米復(fù)合物[35-36]。

此外,還有一些其它納米材料。普魯士藍(lán)納米顆粒也被證明在特定條件下具有多酶性質(zhì)[37]。少量金屬氫氧化物也被發(fā)現(xiàn)可以有效模擬酶的催化性質(zhì),如Cu(OH)2、CoFe的雙層氫氧化物[38-39]。

發(fā)展至今,納米材料可用來(lái)模擬多種酶活性,常用的包括過(guò)氧化物酶模擬酶、過(guò)氧化氫酶模擬酶、氧化物酶模擬酶、超氧化物歧化酶模擬酶、核酸酶模擬酶、酯酶模擬酶、葡萄糖氧化酶模擬酶和亞硫酸氧化酶模擬酶等,這些納米酶己被廣泛應(yīng)用于生物傳感、免疫分析、疾病診斷與治療、食品安全控制和檢測(cè)及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。其所模擬的活性酶種類、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍詳見(jiàn)表1。

表1 納米材料模擬酶活性特點(diǎn)及應(yīng)用范圍Table 1 Characteristic and application range of nano-enzyme mimetics activity

3 新型納米模擬酶在食品安全分析中的應(yīng)用

3.1 新型金屬模擬酶在食品分析中的應(yīng)用

金納米棒(GNRs)一直被用來(lái)提高Pt/Pd納米粒子的表面積以增強(qiáng)其催化活性。Biswas等[45]首次提出了GNRs具有催化性能,合成了縱橫比為2.8的GNRs開(kāi)發(fā)新型納米模擬酶用于農(nóng)藥馬拉硫磷的簡(jiǎn)單比色抑制測(cè)定,其過(guò)氧化物酶活性比辣根過(guò)氧化物酶(HRP)和陽(yáng)性金納米顆粒高2.5倍,且穩(wěn)定性高。GNR的催化活性與馬拉硫磷濃度成反比關(guān)系。該測(cè)定方法特異性強(qiáng),與有機(jī)磷酸酯和金屬鹽的交叉反應(yīng)小于0.01%,靈敏度為1.78 μg/mL。該研究表明,GNRs具有固有的過(guò)氧化物酶活性,這種催化活性可能是由于其表面的正電荷有助于過(guò)氧化物自由基的產(chǎn)生和部分電子的轉(zhuǎn)移過(guò)程。GNRs的催化活性在廣泛的pH和溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性。此外該研究首次提出了基于GNRs 酶模擬活性與馬拉硫磷濃度之間的反比關(guān)系制備簡(jiǎn)單比色法的概念,可進(jìn)一步提高檢測(cè)的靈敏度應(yīng)用于馬拉硫磷的測(cè)定。GNRs的催化活性顯示出巨大的潛力,可用于開(kāi)發(fā)各種分子的檢測(cè)。

金納米簇(Au NCs)是一種新型的酶模擬物,與天然酶相比,在嚴(yán)苛條件下具有更好的穩(wěn)定性。Fang等[46]以簡(jiǎn)便、低成本的方法獲得了熒光蛋殼膜模板金納米簇(Au-ESM),并通過(guò)與谷胱甘肽(GSH)的反應(yīng)過(guò)程調(diào)節(jié)Au-ESM的過(guò)氧化物酶活性。此外,模擬酶膜的催化活性可以通過(guò)抗原-抗體反應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)。在目標(biāo)分子調(diào)節(jié)催化活性的基礎(chǔ)上,建立免疫法比色測(cè)定葡萄球菌腸毒素(SE-B)。該比色法可在0.4～20 ng/mL的濃度范圍內(nèi)檢測(cè)SE-B,檢出限為0.12 ng/mL。在實(shí)際應(yīng)用中,所提出的比色分析可進(jìn)一步用于檢測(cè)面粉,玉米和大米等食品樣品中的SE-B,需要的樣品量極低,具有很高的靈敏度和精密度,為食品中SE-B 的檢測(cè)提供了快速現(xiàn)場(chǎng)篩選策略樣品的方法,且成本低廉,可廣泛應(yīng)用。該項(xiàng)研究中的Au-ESM具有良好的發(fā)展前景,可作為目標(biāo)分子檢測(cè)平臺(tái),為開(kāi)發(fā)具有生物醫(yī)學(xué)和食品安全應(yīng)用的診斷設(shè)備開(kāi)辟新的途徑。

Au@Pt 納米材料是在GNRs的表面修飾上一層島狀的納米鉑點(diǎn),He等[47]發(fā)現(xiàn)在GNRs外涂有由鉑納米點(diǎn)組成的外殼形成的Au@Pt納米結(jié)構(gòu)具有的氧化物酶、過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶的活性,建立了一種基于Au@Pt NRs的酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)檢測(cè)小鼠白細(xì)胞介素2(IL-2)。與HRP相比,成本低、制備方便、穩(wěn)定性高、催化活性好,完全克服了天然酶的缺點(diǎn)。此外,可以通過(guò)控制結(jié)構(gòu)和合金成分變化進(jìn)一步定制催化活性,整體結(jié)構(gòu)通過(guò)借用內(nèi)部Au核和Pt納米點(diǎn)的外延生長(zhǎng)而具有剛性和良好的光學(xué)響應(yīng),從而形成穩(wěn)定有效的酶模擬活性,在生物催化、生物檢測(cè)和納米生物醫(yī)學(xué)方面具有新的潛在應(yīng)用。

雙金屬納米材料可利用不同組分的協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn)多功能催化。Wu等[48]采用簡(jiǎn)便、綠色的方法合成了牛血清白蛋白生物分子支架(BSA-Bi/Pt NPs)中的雙金屬Bi/Pt納米顆粒。由于鉍的改性,與Pt NPs相比,Bi/Pt NPs增強(qiáng)了過(guò)氧化物酶的催化活性。此外,在高溫、極端pH環(huán)境、高離子強(qiáng)度等惡劣條件下以及在常見(jiàn)的生物矩陣中都具有高穩(wěn)定性。這些突出的優(yōu)勢(shì)使Bi/Pt NPs可以廣泛應(yīng)用于生物檢測(cè)領(lǐng)域,如血糖檢測(cè),細(xì)胞外過(guò)氧化氫(H2O2)監(jiān)測(cè),癌細(xì)胞標(biāo)記等,并取得了令人滿意的結(jié)果。其中,葡萄糖的檢出限為0.2 mmol/L,線性檢測(cè)范圍為1～100 mmol/L。BSA-Bi/Pt NPs可以增強(qiáng)底物的親和力,可廣泛應(yīng)用于食品分析或醫(yī)藥分析領(lǐng)域。

3.2 新型金屬氧化物及其復(fù)合體模擬酶在食品分析中的應(yīng)用

納米Fe3O4過(guò)氧化物是催化領(lǐng)域應(yīng)用的熱點(diǎn)。Ding等[49]基于Fe3O4磁性納米顆粒的模擬酶活性,以2,2′-聯(lián)氮-二-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸二銨鹽(ABTS)為底物,建立了Fe3O4MNPs-H2O2-ABTS檢測(cè)系統(tǒng),比色測(cè)定乳制品中的三聚氰胺。檢測(cè)過(guò)程中,三聚氰胺優(yōu)先與過(guò)氧化氫反應(yīng),以減少在Fe3O4MNPs催化下使ABTS氧化顯色的過(guò)氧化氫量,通過(guò)過(guò)氧化氫的消耗量實(shí)現(xiàn)對(duì)三聚氰胺的定量檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)間不超過(guò)1 h,檢測(cè)限為 2.5 mg/kg,回收率在98%～115%之間。該傳感器構(gòu)建方法簡(jiǎn)便,而且可以在不借助任何儀器的情況下，在視覺(jué)上評(píng)估三聚氰胺的存在。劉細(xì)祥等[50]建立了過(guò)氧化氫-甲基橙-納米四氧化三鐵模擬酶催化反應(yīng)體系。其原理是在pH=1.42的HCl-NaAc介質(zhì)中,納米Fe3O4可催化雙氧水產(chǎn)生羥基自由基迅速氧化甲基橙,體系顏色由紅色逐漸變淺,直至完全褪去,吸光度差隨H2O2濃度的增加而線性降低。該體系用于食品中痕量雙氧水的測(cè)定,在優(yōu)化的條件下,該方法的線性范圍為1.17～35.2 μmol,檢出限為0.6 μmol/L。該方法彌補(bǔ)了納米Fe3O4催化氧化甲基橙分光光度法檢測(cè)H2O2的空白,且兼具光度法的簡(jiǎn)便性、催化法靈敏度高和成本低等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。

納米模擬酶與比色技術(shù)的結(jié)合,為食品比色分析檢測(cè)構(gòu)建了一個(gè)新平臺(tái)。Qin等[52]發(fā)現(xiàn)Co3O4NPs具有氧化酶活性,可以催化氧化顯色底物3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)形成有色產(chǎn)物,亞硫酸鹽的存在抑制了Co3O4-O2-TMB反應(yīng)體系并引起反應(yīng)體系顏色的變化。機(jī)理為Co3O4NPs的氧化酶活性可能源于它們?cè)谶^(guò)氧化物酶底物和吸附在Co3O4NPs表面上的氧氣分子之間轉(zhuǎn)移電子的能力,電子傳遞促使TMB被氧化而發(fā)生顯色反應(yīng),傳遞后又恢復(fù)到最初狀態(tài),而亞硫酸根離子空間位阻小于大分子TMB,因此同時(shí)存在時(shí)會(huì)被優(yōu)先吸附到Co3O4表面而阻止顯色反應(yīng)?；诖藱C(jī)理建立了測(cè)定亞硫酸鹽的比色法,用于檢測(cè)百合干、山楂卷及粉絲等食品中的亞硫酸鹽,該方法線性關(guān)系良好,檢測(cè)范圍為 0.2×10-6～1.6×10-5mol/L,最低檢測(cè)限為5.3×10-8mol/L,回收率為93.8%～100.5%。Wang等[53]將金納米顆粒(AuNPs)中摻雜了Fe3O4NPs合成Au@Fe3O4納米材料,由于AuNPs和Fe3O4NPs之間的協(xié)同作用,Au@Fe3O4納米材料的過(guò)氧化物酶活性得到有效增強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了一種比色適體傳感器用于谷物和豆類食品中赭曲霉毒素(OTA)的檢測(cè),具有高特異性,檢測(cè)限可以達(dá)到30 pg/mL,花生和谷物中OTA的回收率分別為92%～97.2%和96%～108.1%。

在比色分析的基礎(chǔ)上,模擬酶催化理論還可以與化學(xué)發(fā)光體系相結(jié)合。Zhang等[54]發(fā)現(xiàn)CoFe2O4NPs具有氧化酶活性,在典型底物TMB、ABTS和鄰苯二胺(OPD)的催化作用下,CoFe2O4NPs可以通過(guò)在NaAc緩沖液中溶解的O2催化底物氧化,并產(chǎn)生典型的顏色反應(yīng),魯米諾通過(guò)溶解氧氧化產(chǎn)生微弱的發(fā)射光,CoFe2O4NPs可強(qiáng)化化學(xué)發(fā)光(CL),峰值位于430 nm左右(與3-氨基鄰苯二甲酸酯的最大發(fā)射光譜相同)。在相對(duì)較低的濃度水平下,亞硫酸鹽對(duì)系統(tǒng)有抑制作用,反之則具有增強(qiáng)效果。兩種狀態(tài)下系統(tǒng)的發(fā)光體3-氨基鄰苯二甲酸酯陰離子(3-APA*)都處于興奮狀態(tài),如圖1所示。在討論魯米諾-CoFe2O4NPs-亞硫酸鹽CL系統(tǒng)可能機(jī)理的基礎(chǔ)上,建立了流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光法測(cè)定痕量亞硫酸鹽。在最佳條件下,該系統(tǒng)可以響應(yīng)低至2.0×10-8mol/L的亞硫酸鹽。該方法已用于白葡萄酒樣品中痕量亞硫酸鹽的測(cè)定,與標(biāo)準(zhǔn)滴定方法給出的結(jié)果一致。該研究較好的改良了檢測(cè)體系的靈敏度,拓展了模擬酶催化檢測(cè)的應(yīng)用范圍,將會(huì)成為食品分析技術(shù)改良的一個(gè)新方向。

圖1 魯米諾-CoFe2O4 NP-亞硫酸鹽發(fā)光系統(tǒng)的構(gòu)建原理[49]

3.3 新型碳材料模擬酶在食品分析中的應(yīng)用

選擇性制備所需結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料對(duì)于提升模擬酶的催化活性具有重要意義。Qian等[55]合成了Fe3O4/石墨烯納米復(fù)合材料(Fe3O4NPs/rGO),基于其對(duì)TMB顯示出較高的過(guò)氧化物酶活性構(gòu)建比色平臺(tái)。利用乙酰膽堿酯酶和膽堿氧化酶的特異性催化反應(yīng)選擇性檢測(cè)乙酰膽堿含量,應(yīng)用于實(shí)際牛奶樣品中的檢測(cè),具有較高的置信度和實(shí)用性,平均回收率為87.2%～115.2%。

為結(jié)合多種改性納米粒子的表面功能及催化活性的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)不同的傳感器,Margarita等[56]用Cu2+-改性氮化碳納米粒子(Cu2+-g-C3N4NPs)和Cu2+-改性碳點(diǎn)(Cu2+-Cdots)作為催化劑模擬辣根過(guò)氧化物酶的功能,在魯米諾-H2O2的存在下可以產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光,并催化H2O2氧化多巴胺形成氨基色素。研究發(fā)現(xiàn),這兩種Cu2+改性納米粒子擴(kuò)大了過(guò)氧化物酶活性的pH范圍,且表面功能可以經(jīng)過(guò)化學(xué)單元(如環(huán)糊精)的進(jìn)一步改性來(lái)增強(qiáng)其催化功能。Cu2+-g-C3N4NPs可用于開(kāi)發(fā)H2O2傳感器,葡萄糖檢測(cè)平臺(tái)和葡萄糖氧化酶探測(cè)傳感器。碳點(diǎn)經(jīng)改性后,催化效果增強(qiáng)了4倍。利用碳材料高效復(fù)合金屬離子和氮化物,可將幾種具有良好模擬酶活性的粒子的優(yōu)勢(shì)在一起,改善催化效果,提升催化速率,進(jìn)而改良檢測(cè)體系的靈敏度和特異性。

二肽(FF)-多金屬氧酸鹽(POMs)-氧化石墨烯(GO)三元雜化物是一種優(yōu)異的過(guò)氧化物酶樣模擬物。Zhuo等[57]通過(guò)再沉淀法制備該雜化物,經(jīng)復(fù)聚策略獲得FF和POMs的超分子組合。在室溫條件下,將含有PW12和FF的乙醇溶液以摩爾比1∶3添加到水中,立即產(chǎn)生了丁達(dá)爾效應(yīng),導(dǎo)致化合物的沉淀。然后進(jìn)行陽(yáng)離子二苯丙氨酸肽靜電包封H3PW12O40(PW12)和FF@PW12球與氧化石墨烯(GO)的組裝,見(jiàn)圖2。

圖2 FF@PW12@GO復(fù)合體模擬酶構(gòu)建示意圖[57]

由圖2可知,使用TMB作為顯色底物,在非均相中評(píng)估了FF@PW12的過(guò)氧化物酶活性,在均質(zhì)中比原始無(wú)包封劑的PW12高13倍。此外,含有重量百分比為5% GO的FF@PW12@GO的三元雜化物可以比FF@PW12的活性提高1.7倍。推測(cè)GO和POM之間的氫鍵和離子的非共價(jià)相互作用會(huì)產(chǎn)生增強(qiáng)過(guò)氧化物酶活性的協(xié)同效應(yīng)[57]。利用TMB對(duì)紫外可見(jiàn)光的吸收程度與H2O2的濃度的相關(guān)性,FF@PW12@GO可被用來(lái)檢測(cè)H2O2,檢測(cè)限為0.11 μmol/L,檢測(cè)范圍為1～75 μmol/L。將三個(gè)獨(dú)立組分集成到一個(gè)系統(tǒng)中,從而產(chǎn)生了協(xié)同作用,對(duì)整體催化性能做出貢獻(xiàn)。為使用POMs引入GO構(gòu)建H2O2提供了有效途徑[57]。

3.4 新型金屬有機(jī)框架納米模擬酶在食品分析中的應(yīng)用

3.4.1 金屬有機(jī)框架納米模擬酶在食品分析中的應(yīng)用 金屬有機(jī)框架(MOFs)是一種具有柔性結(jié)構(gòu)的功能材料。Qi等[58]設(shè)計(jì)并制造了一種能夠?yàn)檫^(guò)氧化氫的催化反應(yīng)發(fā)出熒光的PA-Tb-Cu MOF雙功能納米酶,不僅具有優(yōu)異的催化活性,而且可以實(shí)時(shí)熒光指示催化過(guò)程中H2O2的濃度直至低至0.2 μmol/L。這種納米酶由發(fā)光Tb3+,催化Cu2+和鄰苯二甲酸(PA)作為橋接配體組成。Tb3+是一種發(fā)光離子且具有較長(zhǎng)的熒光壽命,Cu2+是許多輔基的關(guān)鍵催化中心。酶催化反應(yīng)直接由功能性離子/分子組裝,用于取代天然酶和顯色劑的常見(jiàn)組合使用。另外,基于Tb3+的發(fā)光納米酶不受生物系統(tǒng)自發(fā)熒光的影響。Qi等進(jìn)一步利用PA-Tb-Cu MOF和抗壞血酸體系測(cè)定牛奶樣品中的H2O2,PA-Tb-Cu MOF和AA的發(fā)光催化分析反應(yīng)見(jiàn)圖3。牛奶樣品中的H2O2測(cè)量回收率為91.50%～108.5%,該方法能夠滿足牛奶中的H2O2測(cè)定,具有較高的精度和良好的重復(fù)性。

圖3 用PA-Tb-Cu MOF納米酶催化抗壞血酸+H2O2體系[58]

3.4.2 共價(jià)有機(jī)框架納米模擬酶在食品分析中的應(yīng)用 共價(jià)有機(jī)框架(Covalent organic frameworks,COFs)應(yīng)用廣泛,是近來(lái)備受關(guān)注的多孔聚合物。然而,COF材料作為酶模擬物的催化應(yīng)用仍然在很大程度上未被探索。Wang等[59]首次成功合成鐵-卟啉-基于共價(jià)有機(jī)骨架(鐵-COF)，在H2O2存在下,Fe-COF可以催化底物TMB以產(chǎn)生顏色,表明它具有過(guò)氧化物酶活性。此外,動(dòng)力學(xué)研究表明Fe-COF納米材料對(duì)基質(zhì)H2O2和TMB的親和力高于天然酶辣根過(guò)氧化物酶(HRP)。在優(yōu)化條件下,將Fe-COF納米材料應(yīng)用于比色傳感器中,用于H2O2的靈敏檢測(cè)。檢測(cè)范圍為7～500 μmol/L,檢測(cè)限為1.1 μmol/L。此外,Fe-COF與葡萄糖氧化酶(GOx)相結(jié)合,可采用一鍋法測(cè)定葡萄糖,如圖4所示,檢測(cè)范圍為5～350 μmol/L,檢測(cè)限為1.0 μmol/L。作為過(guò)氧化物酶的模擬物,具有制備簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好、催化效率高等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨戏椒?有助于促進(jìn)COF復(fù)合材料作為酶模擬物的應(yīng)用。

圖4 Fe-COF作為催化劑的葡萄糖檢測(cè)比色傳感器的原理示意圖[59]

3.5 新型生物質(zhì)復(fù)合型納米酶在食品分析中的應(yīng)用

作為分析化學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域,葡萄糖生物傳感器由于其在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注。Wang等[60]制造了一個(gè)人工酶體系GOx@ZIF-8(NiPd)納米花實(shí)現(xiàn)串聯(lián)催化,如圖5所示。通過(guò)簡(jiǎn)單的共沉淀,納米酶(NiPd空心納米粒子)和天然酶(葡萄糖氧化酶)同時(shí)固定在ZIF-8上。GOx@ZIF-8(NiPd)不僅表現(xiàn)出NiPd的過(guò)氧化物活性,而且保持了GOx的酶活性。利用OPD作為顯色基板,生成黃色氧化產(chǎn)物鄰苯二甲酸二丙烯酯(DAP),可以在一個(gè)步驟內(nèi)實(shí)現(xiàn)葡萄糖視覺(jué)檢測(cè)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)。該體系為納米粒子與天然酶之間的合作架起了橋梁,結(jié)合了各自的功能特性,實(shí)現(xiàn)了高效的串聯(lián)催化反應(yīng),建立了一種用于檢測(cè)葡萄糖的安培生物傳感器。

圖5 GOx@ZIF-8(NiPd)人工酶系統(tǒng)串聯(lián)催化示意圖

金納米粒子已被證明是具有天然葡萄糖氧化酶活性的有效納米粒子,它可以催化葡萄糖氧化,生成H2O2。以金納米粒子具有酶活性為基礎(chǔ),Lin等[61]研制了一種混合催化劑,如圖6所示。石墨烯-中孔二氧化硅混合物(GS)被用作納米容器,在不同的位置固定金納米粒子(用作GOx模仿劑)和生物質(zhì)血紅素(用作過(guò)氧化物酶類似物),含有多個(gè)催化位點(diǎn)的集成催化劑可用于催化反應(yīng),而無(wú)需真正酶的幫助。這兩種方法都可以在串聯(lián)催化反應(yīng)中成功地用于葡萄糖檢測(cè)。

圖6 GSHA系統(tǒng)中串聯(lián)反應(yīng)示意圖[55]

4 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了近年來(lái)新型納米模擬酶在食品分析方面的研究進(jìn)展。新型納米模擬材料的不斷開(kāi)發(fā)應(yīng)用正在逐漸拓寬其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。在食品分析領(lǐng)域,納米模擬酶催化效率高,成本低,穩(wěn)定性好,易于制備和儲(chǔ)存的優(yōu)勢(shì),逐漸取代了天然酶的應(yīng)用。雖然納米模擬酶的應(yīng)用已經(jīng)取得了很大進(jìn)展,但在這一前沿仍然面臨許多挑戰(zhàn)。鑒于天然酶的多樣性,今后的工作重點(diǎn)應(yīng)放在設(shè)計(jì)具有新催化性能的納米粒子上。大多數(shù)納米酶很難像天然酶那樣催化一種特定的底物,因此為了模擬復(fù)雜的天然酶系統(tǒng),不僅要提高納米粒子的選擇性,還要根據(jù)納米粒子和天然酶的性質(zhì)功能將二者結(jié)合,完成可以高效催化的人工酶系統(tǒng)的組裝,為智能、多功能人工酶的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供新的途徑。另外,有必要開(kāi)發(fā)合適的納米酶來(lái)構(gòu)建基于酶的電化學(xué)生物傳感器,基于納米粒子的表面改性調(diào)整其催化活性在生物傳感應(yīng)用中的作用。為擴(kuò)大納米模擬酶應(yīng)用范圍,可以將具有特殊納米性能的納米粒子相結(jié)合產(chǎn)生協(xié)同作用效果。最后,還需深入挖掘與完善納米粒子模擬天然酶的詳細(xì)催化機(jī)制和理論。