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)過程中重金屬（如汞、鉛、鈷、鉻、鐵離子）的濫用導(dǎo)致含重金屬廢水大量排放，污染水體與土壤生態(tài)系統(tǒng)，進而通過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“一對一”檢測模式，無法高通量識別多種重金屬。因此，急需開發(fā)一種快速、低成本、可現(xiàn)場應(yīng)用的多重金屬同步檢測技術(shù)。近年來，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)機制及智能手機分析平臺，為重金屬的高通量即時檢測提供了新思路。

02

研究內(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)院曹宏梅團隊開發(fā)了一種基于納米酶的智能手機輔助比色傳感器陣列（圖1），用于快速、高通量檢測鮭魚和海水中的重金屬離子。通過合成三種信號識別元件（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）氧化生成藍色產(chǎn)物。不同重金屬離子（Hg2+、Pb2+、Co2+、Cr6+、Fe3+）通過金屬間相互作用、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)生獨特的顏色響應(yīng)模式（圖3）。如圖4所示，結(jié)合智能手機RGB分析平臺，在避光環(huán)境下采集顯色反應(yīng)圖像并提取RGB值，通過線性判別分析（LDA）降維實現(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樣本的實際檢測（圖5），加標回收率為102–113%，抗干擾性強，共存離子對檢測無影響，且納米酶穩(wěn)定性高，在儲存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)場高通量檢測提供了高效解決方案。

圖1. 基于納米酶的智能手機輔助比色傳感器陣列檢測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)雷達圖（C）比色響應(yīng)熱力圖（D-F）LDA標準得分圖區(qū)分不同濃度重金屬離子。

圖4. 智能手機平臺檢測結(jié)果（A）不同重金屬離子的顯色反應(yīng)照片（B-D）智能手機RGB模式的LDA標準得分圖。

圖5. 實際樣本檢測結(jié)果（A）紫外-可見模式檢測鮭魚樣本中重金屬的LDA得分圖（B）智能手機模式檢測鮭魚樣本的LDA得分圖（C）紫外-可見模式檢測海水樣本的LDA得分圖（D）智能手機模式檢測海水樣本的LDA得分圖（E）鮭魚樣本重金屬的分層聚類分析（紫外-可見模式）（F）海水樣本重金屬的分層聚類分析（智能手機模式）

03

小 結(jié)

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

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

文獻鏈接：POCT體外診斷技術(shù)