01

研究背景

隨著冶金、化工及農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)過(guò)程中重金屬（如汞、鉛、鈷、鉻、鐵離子）的濫用導(dǎo)致含重金屬?gòu)U水大量排放，污染水體與土壤生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)而通過(guò)食物鏈威脅人類健康。重金屬可誘導(dǎo)活性氧生成，破壞DNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，引發(fā)皮炎、肝腎損傷、神經(jīng)組織損害甚至癌癥。傳統(tǒng)檢測(cè)方法（如ICP-MS、AAS）雖精確但依賴大型儀器和專業(yè)操作，難以現(xiàn)場(chǎng)快速篩查；而現(xiàn)有便攜技術(shù)（如免疫層析試紙條）受限于“一對(duì)一”檢測(cè)模式，無(wú)法高通量識(shí)別多種重金屬。因此，急需開(kāi)發(fā)一種快速、低成本、可現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的多重金屬同步檢測(cè)技術(shù)。近年來(lái)，納米酶（如單原子酶SAzymes）因其高穩(wěn)定性和類酶活性，結(jié)合傳感器陣列的交叉響應(yīng)機(jī)制及智能手機(jī)分析平臺(tái)，為重金屬的高通量即時(shí)檢測(cè)提供了新思路。

02

研究?jī)?nèi)容

基于上述研究背景，海南大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院曹宏梅團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于納米酶的智能手機(jī)輔助比色傳感器陣列（圖1），用于快速、高通量檢測(cè)鮭魚(yú)和海水中的重金屬離子。通過(guò)合成三種信號(hào)識(shí)別元件（圖2）——金鉑修飾的鐵氮碳單原子酶（AuPt@Fe-N-C）、金鉑修飾的氮碳材料（AuPt@N-C）以及鐵氮碳單原子酶（Fe-N-C），其中AuPt@Fe-N-C展現(xiàn)出優(yōu)異的類過(guò)氧化物酶活性，可催化顯色底物TMB（四甲基聯(lián)苯胺）氧化生成藍(lán)色產(chǎn)物。不同重金屬離子（Hg2+、Pb2+、Co2+、Cr6+、Fe3+）通過(guò)金屬間相互作用、電子轉(zhuǎn)移或自由基生成等途徑特異性調(diào)控納米酶活性，產(chǎn)生獨(dú)特的顏色響應(yīng)模式（圖3）。如圖4所示，結(jié)合智能手機(jī)RGB分析平臺(tái)，在避光環(huán)境下采集顯色反應(yīng)圖像并提取RGB值，通過(guò)線性判別分析（LDA）降維實(shí)現(xiàn)可視化分類，5 min內(nèi)可區(qū)分濃度低至0.5 μM的單一重金屬離子（如Cr6+定量限達(dá)1 μM）及不同比例的二元/三元混合離子。該方法成功應(yīng)用于海南文昌海水和鮭魚(yú)樣本的實(shí)際檢測(cè)（圖5），加標(biāo)回收率為102–113%，抗干擾性強(qiáng)，共存離子對(duì)檢測(cè)無(wú)影響，且納米酶穩(wěn)定性高，在儲(chǔ)存16天后活性仍保持94.4%，為食品與環(huán)境樣品中重金屬的現(xiàn)場(chǎng)高通量檢測(cè)提供了高效解決方案。

圖1. 基于納米酶的智能手機(jī)輔助比色傳感器陣列檢測(cè)多種重金屬離子示意圖。

圖2. 納米酶表征結(jié)果（A）Fe-N-C的TEM圖（B）Fe-N-C的HAADF-STEM圖（C）AuPt@N-C的TEM圖（D）AuPt@Fe-N-C的TEM圖（E）AuPt@Fe-N-C的SEM圖（F）AuPt@Fe-N-C的STEM元素分布映射圖。

圖3. 比色傳感器陣列區(qū)分五種重金屬離子（A）五種重金屬離子的比色響應(yīng)直方圖（B）比色響應(yīng)雷達(dá)圖（C）比色響應(yīng)熱力圖（D-F）LDA標(biāo)準(zhǔn)得分圖區(qū)分不同濃度重金屬離子。

圖4. 智能手機(jī)平臺(tái)檢測(cè)結(jié)果（A）不同重金屬離子的顯色反應(yīng)照片（B-D）智能手機(jī)RGB模式的LDA標(biāo)準(zhǔn)得分圖。

圖5. 實(shí)際樣本檢測(cè)結(jié)果（A）紫外-可見(jiàn)模式檢測(cè)鮭魚(yú)樣本中重金屬的LDA得分圖（B）智能手機(jī)模式檢測(cè)鮭魚(yú)樣本的LDA得分圖（C）紫外-可見(jiàn)模式檢測(cè)海水樣本的LDA得分圖（D）智能手機(jī)模式檢測(cè)海水樣本的LDA得分圖（E）鮭魚(yú)樣本重金屬的分層聚類分析（紫外-可見(jiàn)模式）（F）海水樣本重金屬的分層聚類分析（智能手機(jī)模式）

03

小 結(jié)

本研究開(kāi)發(fā)了一種基于智能手機(jī)輔助納米酶比色傳感器陣列用于高通量識(shí)別鮭魚(yú)中的重金屬離子，通過(guò)合成金鉑修飾鐵氮碳單原子酶（AuPt@Fe-N-C）等三種信號(hào)元件，利用其高活性類過(guò)氧化物酶特性催化TMB-H2O2顯色體系產(chǎn)生差異化藍(lán)色響應(yīng)（652 nm）。不同重金屬離子通過(guò)金屬合金化、電子轉(zhuǎn)移及自由基生成等途徑特異性調(diào)控顯色強(qiáng)度，結(jié)合智能手機(jī)RGB平臺(tái)采集圖像并提取數(shù)值，經(jīng)線性判別分析（LDA）降維實(shí)現(xiàn)5分鐘內(nèi)0.5 μM級(jí)單一離子及混合體系的高通量區(qū)分；實(shí)際應(yīng)用于對(duì)海南文昌海水及鮭魚(yú)樣本的檢測(cè)，在水產(chǎn)食品安全領(lǐng)域具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

文章供稿人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）理學(xué)院博士研究生，謝曉雷

文章鏈接：

Smartphone-assisted colorimetric sensor arrays based on nanozymes for high throughput identification of heavy metal ions in salmon

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.135887

文獻(xiàn)鏈接：POCT體外診斷技術(shù)