01

研究背景

隨著冶金、化工及農業的快速發展，工業過程中重金屬（如汞、鉛、鈷、鉻、鐵離子）的濫用導致含重金屬廢水大量排放，污染水體與土壤生態系統，進而通過食物鏈威脅人類健康。重金屬可誘導活性氧生成，破壞DNA、脂質和蛋白質，引發皮炎、肝腎損傷、神經組織損害甚至癌癥。傳統檢測方法（如ICP-MS、AAS）雖精確但依賴大型儀器和專業操作，難以現場快速篩查；而現有便攜技術（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，急需開發一種快速、低成本、可現場應用的多重金屬同步檢測技術。近年來，納米酶（如單原子酶SAzymes）因其高穩定性和類酶活性，結合傳感器陣列的交叉響應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。

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研究內容

基于上述研究背景，海南大學食品科學與工程學院曹宏梅團隊開發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展現出優異的類過氧化物酶活性，可催化顯色底物TMB（四甲基聯苯胺）氧化生成藍色產物。不同重金屬離子（Hg2+、Pb2+、Co2+、Cr6+、Fe3+）通過金屬間相互作用、電子轉移或自由基生成等途徑特異性調控納米酶活性，產生獨特的顏色響應模式（圖3）。如圖4所示，結合智能手機RGB分析平臺，在避光環境下采集顯色反應圖像并提取RGB值，通過線性判別分析（LDA）降維實現可視化分類，5 min內可區分濃度低至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，且納米酶穩定性高，在儲存16天后活性仍保持94.4%，為食品與環境樣品中重金屬的現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. 比色傳感器陣列區分五種重金屬離子（A）五種重金屬離子的比色響應直方圖（B）比色響應雷達圖（C）比色響應熱力圖（D-F）LDA標準得分圖區分不同濃度重金屬離子。

圖4. 智能手機平臺檢測結果（A）不同重金屬離子的顯色反應照片（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）

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小 結

本研究開發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顯色體系產生差異化藍色響應（652 nm）。不同重金屬離子通過金屬合金化、電子轉移及自由基生成等途徑特異性調控顯色強度，結合智能手機RGB平臺采集圖像并提取數值，經線性判別分析（LDA）降維實現5分鐘內0.5 μM級單一離子及混合體系的高通量區分；實際應用于對海南文昌海水及鮭魚樣本的檢測，在水產食品安全領域具有較高的實際應用價值。

文章供稿人：哈爾濱工業大學（深圳）理學院博士研究生，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