摘要 基于二維鈷基納米酶(D-ZIF-67)的類氧化酶活性開(kāi)發(fā)了一種比率型比色傳感器用于亞硝酸鹽的靈敏檢測(cè)。采用一步沉淀法制得D-ZIF-67,利用掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)等方法對(duì)其結(jié)構(gòu)及形貌進(jìn)行了表征。D-ZIF-67 可將無(wú)色的3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)催化氧化為藍(lán)色氧化產(chǎn)物(oxTMB),在652 nm 處有明顯的吸收峰;當(dāng)亞硝酸鹽存在時(shí), oxTMB 被進(jìn)一步氧化和重氮化,呈現(xiàn)黃色,導(dǎo)致溶液在652 nm處的吸光度(A652)降低, 450 nm處的吸光度(A450)增大,其比率信號(hào)(A652/450)與亞硝酸鹽濃度的對(duì)數(shù)值呈線性關(guān)系,基于此實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽的靈敏檢測(cè)。在最優(yōu)條件下,亞硝酸鹽的線性檢測(cè)范圍為3~300 μmol/L,檢出限(S/N=3)為0.08 μmol/L。與傳統(tǒng)單信號(hào)方法相比,比率型比色模式具有更好的抗干擾性。將本方法應(yīng)用于香腸和咸鴨蛋中亞硝酸鹽的檢測(cè),加標(biāo)回收率為97.7%~104.1%。
關(guān)鍵詞 硝酸鈷;比色檢測(cè);納米酶;類氧化物酶;亞硝酸鹽
亞硝酸鹽(Nitrite)作為一種食品添加劑可改善肉制品的顏色和風(fēng)味[1],并抑制肉毒桿菌等微生物的生長(zhǎng)[2-3]。然而,人體攝入過(guò)量的亞硝酸鹽會(huì)導(dǎo)致NO2?與血紅蛋白結(jié)合引發(fā)高鐵血紅蛋白血癥[4],在胃酸環(huán)境下亞硝酸鹽還可與食品中的仲胺和酰胺反應(yīng)生成致癌物亞硝胺,從而引發(fā)食道癌和胃癌等多種癌癥[5-6]。食品添加劑聯(lián)合專家委員會(huì)(JECFA)建議亞硝酸鹽的每日可接受攝入量(ADI)為0.07 mg/kg[7];我國(guó)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在肉灌腸類和醬鹵肉制品等食品中亞硝酸鹽的最大添加量不超過(guò)1.5 g/kg,最大殘留量不超過(guò)30 mg/kg[8]。因此,開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、快速和準(zhǔn)確的亞硝酸鹽檢測(cè)方法具有重要意義。
亞硝酸鹽的傳統(tǒng)檢測(cè)方法有色譜法[9]、毛細(xì)管電泳法[10]、電化學(xué)法[11]和熒光法[12]等,這些檢測(cè)方法需要精密的儀器、專業(yè)的操作人員和復(fù)雜耗時(shí)的操作流程,難以應(yīng)用于亞硝酸鹽的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。比色法通過(guò)比較有色物質(zhì)溶液顏色深度確定待測(cè)組分含量,具有簡(jiǎn)便、快速、成本低、靈敏度高和可視化等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。比率型比色傳感器能夠克服實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中樣品基質(zhì)和檢測(cè)環(huán)境的干擾[15],確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,是亞硝酸鹽現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的理想選擇。
納米酶是具有類酶活性的納米材料[16-17],基于納米酶構(gòu)建的生物傳感器[18]已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)[19]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[20]和食品安全[21]等領(lǐng)域。鈷基納米酶具有獨(dú)特的催化活性[22]和穩(wěn)定性,在光學(xué)分析[23]、電催化和生物催化[24]等領(lǐng)域備受關(guān)注。二維鈷基納米酶(D-ZIF-67)具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu),其金屬活性位點(diǎn)大量分散在表面,因此具有高于常見(jiàn)納米酶的類氧化酶活性[25]。同時(shí), D-ZIF-67 具有合成簡(jiǎn)便和催化活性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),適用于食品中有害物質(zhì)的快速檢測(cè)。盡管D-ZIF-67 的類氧化酶活性已被證實(shí),但基于D-ZIF-67 的類氧化酶活性構(gòu)建的亞硝酸鹽比色傳感檢測(cè)平臺(tái)尚未見(jiàn)報(bào)道。
本研究以硝酸鈷和二甲基咪唑?yàn)榍膀?qū)體,采用一步沉淀法制備了具有二維結(jié)構(gòu)的D-ZIF-67,并基于D-ZIF-67 的類氧化酶活性建立了亞硝酸鹽的比率型比色檢測(cè)方法(圖1)。D-ZIF-67 可催化氧化3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)生成藍(lán)色的氧化產(chǎn)物(oxTMB),在652 nm 處產(chǎn)生吸收峰;當(dāng)亞硝酸鹽存在時(shí),oxTMB 被重氮化而呈現(xiàn)黃色,使溶液在652 nm 處的吸光度(A652)降低,并在450 nm 處出現(xiàn)新吸收峰。隨著亞硝酸鹽濃度增加,溶液的A652 降低而450 nm 處吸光度(A450)增大,導(dǎo)致652 nm 和450 nm 處吸光度的比率信號(hào)(A652/450)降低,基于A652/450 與亞硝酸鹽濃度的線性關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽的精準(zhǔn)檢測(cè)。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 儀器與試劑
UV-2700 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(日本島津公司);Nicolet6700 傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)尼高力公司);Thermo escalab 250XI X 射線光電子能譜儀(美國(guó)熱電公司);SU8020 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本Hitachi 公司);JEM 2100 場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(日本JEOL 公司);TG16 高速離心機(jī)(上海盧湘儀離心機(jī)有限公司);Smart-S15UVF 純水系統(tǒng)(上海和泰儀器有限公司)。
TMB 和二甲基咪唑購(gòu)于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;乙酸鈉、抗壞血酸和亞硝酸鈉購(gòu)于上海麥克林生化科技有限公司;Co(NO3)2·6H2O 購(gòu)于上海易恩化學(xué)技術(shù)有限公司;N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和乙酸購(gòu)于天津市永大化學(xué)試劑有限公司。實(shí)驗(yàn)用水為超純水(18.2 MΩ·cm)。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 二維納米片鈷基金屬有機(jī)框架(D-ZIF-67)的合成
參考文獻(xiàn)[26]的方法并稍作修改制備D-ZIF-67。稱取0.328 g二甲基咪唑和0.291 g Co(NO3)2·6H2O,分別溶解在30 mL 50%(V/V)DMF 溶液中。兩種溶液超聲30 min 后,將Co(NO3)2·6H2O 溶液快速加入二甲基咪唑溶液中混合。將混合物劇烈攪拌1 min,然后在室溫下靜置陳化12 h。收集沉淀,用DMF 和超純水洗滌沉淀3 次,并在60 ℃烘箱中干燥過(guò)夜,得到D-ZIF-67。
1.2.2 D-ZIF-67 的類氧化酶活性測(cè)定
以TMB 為底物對(duì)D-ZIF-67 的類氧化酶活性進(jìn)行研究。在885 μL 0.2 mol/L 的NaAc-HAc 緩沖溶液(pH 4.0)中加入15 μL 2 mg/mL 的D-ZIF-67 分散液和100 μL 1 mmol/L 的TMB 溶液,混合均勻,在室溫下孵育5 min,采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行檢測(cè),比較反應(yīng)體系在652 nm 處的吸光度。
1.2.3 D-ZIF-67 的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析
采用TMB 作為D-ZIF-67 動(dòng)力學(xué)分析的底物。在885 μL 的NaAc-HAC 緩沖液中加入15 μL 2 mg/mL的D-ZIF-67 分散液和100 μL 不同濃度的TMB 溶液,采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)檢測(cè)反應(yīng)前60 s 混合物在652 nm 處的吸光度變化,并根據(jù)Michaelis-Menten 方程計(jì)算催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù):
1/V0 = Km/Vmax(1/[S] + 1/Km) (1)
其中, V0 為初始反應(yīng)速度, Km 為米氏常數(shù), Vmax 為最大反應(yīng)速度,[S]為底物濃度。
1.2.4 亞硝酸鹽的檢測(cè)
在835 μL NaAc-HAc 緩沖液中加入15 μL 2 mg/mL 的D-ZIF-67 分散液和100 μL 1 mmol/L TMB,將混合液在室溫下孵育10 min。加入50 μL 不同濃度的亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液,在室溫下再孵育30 min,采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定,計(jì)算不同濃度亞硝酸鹽存在時(shí)體系的A652/450 值。
1.2.5 實(shí)際樣品處理
香腸和咸鴨蛋購(gòu)買于當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。將樣品切分成1 g 的小塊,加入8 mL 超純水并超聲處理2 h;離心,取上層清液,加入亞鐵氰化鉀溶液,混勻;靜置30 min 后加入醋酸鋅溶液,并攪拌30 min,將溶液用活性碳脫色;離心,使用0.45 和0.22 μm 濾膜去除雜質(zhì)和剩余脂肪,待測(cè)。
2 結(jié)果與討論
2.1 D-ZIF-67 材料的表征
不同的溶劑會(huì)影響金屬有機(jī)框架化合物的成核和生長(zhǎng)[26],通過(guò)掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)對(duì)D-ZIF-67 的形貌進(jìn)行表征,考察溶劑對(duì)金屬有機(jī)框架ZIF-67 的影響。由圖2A 可見(jiàn),相較于甲醇溶液合成的正十二面體的ZIF-67,采用DMF 和超純水混合溶液合成的D-ZIF-67 呈現(xiàn)出二維納米花的結(jié)構(gòu),TEM 結(jié)果(圖2B)進(jìn)一步驗(yàn)證了D-ZIF-67 的結(jié)構(gòu)為多層納米片堆疊,并且最終呈現(xiàn)出納米花的形態(tài)。這種二維結(jié)構(gòu)表明D-ZIF-67 具有更大的可負(fù)載底物的比表面積和更易接近的催化活性位點(diǎn),從而賦予其優(yōu)異的類酶活性。
通過(guò)X-射線光電子能譜(XPS)進(jìn)一步分析D-ZIF-67的元素組成及價(jià)態(tài)(圖2C),結(jié)果表明, D-ZIF-67包含C、N、O和Co等元素。對(duì)Co進(jìn)行分峰處理, Co 2p軌道的XPS圖譜如圖2D所示,材料中的Co元素以Co2+和Co3+兩種價(jià)態(tài)共存,其中, 780.79 和796.57 eV 處的結(jié)合能峰分別對(duì)應(yīng)Co3+的Co 2p3/2 和Co 2p1/2,783.04 和798.83 eV 處的結(jié)合能峰分別對(duì)應(yīng)Co2+的Co 2p3/2 和Co 2p1/2。這表明帶有正電荷的D-ZIF-67有利于納米酶和催化底物的結(jié)合,同時(shí)多價(jià)態(tài)的金屬元素共存可以有效提高納米酶的電子轉(zhuǎn)移能力,提高納米酶的催化能力[27]。
采用紅外(FT-IR)光譜驗(yàn)證了D-ZIF-67 表面官能團(tuán)和配位聚合物的形成(圖2E),通過(guò)與二甲基咪唑的FT-IR 光譜對(duì)比發(fā)現(xiàn),在2922 cm?1 處屬于咪唑脂肪族的C—H 和1846 cm?1 處的N—H 伸縮振動(dòng)峰消失,這表明D-ZIF-67 配合物是由金屬鈷離子和二甲基咪唑配體配位形成。
2.2 D-ZIF-67 的類氧化酶活性研究
以TMB 為顯色底物,考察了D-ZIF-67 的類氧化酶活性。如圖3A 所示,單一的TMB 和D-ZIF-67 溶液體系的A625 值并沒(méi)有明顯變化,只有當(dāng)TMB 和D-ZIF-67 同時(shí)存在時(shí),混合溶液從無(wú)色變?yōu)樗{(lán)色,并且在652 nm 處有明顯的吸收峰,這表明制備的D-ZIF-67 具有優(yōu)異的類氧化酶活性。
氮?dú)鈱?shí)驗(yàn)證明D-ZIF-67 在反應(yīng)體系中作為催化劑催化溶液中的溶解氧,而并非作為氧化劑直接氧化TMB。如圖3B 所示,經(jīng)過(guò)氮?dú)忸A(yù)處理的溶液的吸光度遠(yuǎn)低于空氣飽和的混合溶液,表明催化過(guò)程依賴于溶液中的游離氧。為了進(jìn)一步研究D-ZIF-67 類氧化酶活性的機(jī)理,以對(duì)苯醌(PBQ)、組氨酸(His)和硫脲(TU)作為·O2–、1O2 和·OH–自由基清除劑研究其對(duì)納米酶催化的影響。結(jié)果如圖3C 所示, PBQ 和TU 對(duì)納米酶的活性有明顯的抑制作用,而His 的抑制效果較差,這表明D-ZIF-67 在催化溶液中的游離氧時(shí)產(chǎn)生了·O2?自由基和·OH?自由基。
2.3 D-ZIF-67 的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)研究
進(jìn)一步探究了D-ZIF-67 的類氧化物酶活性,以TMB 為底物對(duì)D-ZIF-67 進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)研究。保持其它反應(yīng)條件不變,通過(guò)改變底物TMB 的濃度,記錄不同濃度時(shí)體系在652 nm 處的吸光度變化。由圖4A 可知,隨著TMB 濃度逐漸上升,初始反應(yīng)速度逐漸增大,最后達(dá)到平臺(tái)期,趨勢(shì)符合Michaelis-Menten 的動(dòng)力學(xué)模型,由圖4B 所示的雙倒數(shù)圖得出D-ZIF-67 作為類氧化酶催化TMB 時(shí)的Km 值。Km 是酶對(duì)底物的親和力指標(biāo), Km 值越低,表明該酶對(duì)底物的親和力越高。如表1 所示, D-ZIF-67 對(duì)TMB 的Km=0.03 mmol/L,明顯小于天然辣根過(guò)氧化物酶(HRP, Km=0.434 mmol/L);同時(shí), D-ZIF-67 的底物親和力也明顯高于其它同類納米酶。因?yàn)镈-ZIF-67 具有大比表面積的二維結(jié)構(gòu),使得大量的活性位點(diǎn)暴露,優(yōu)于大多數(shù)活性位點(diǎn)包埋在立體結(jié)構(gòu)中的3D 結(jié)構(gòu)。
2.4 比率型比色傳感器的檢測(cè)原理
將亞硝酸鹽加入到D-ZIF-67 和TMB 的反應(yīng)體系中,會(huì)使體系的A652 降低、A450 升高,溶液顏色由藍(lán)色變?yōu)榫G色(圖5A)。溶液顏色的變化是亞硝酸鹽與TMB 在酸性緩沖液中反應(yīng)的結(jié)果(圖5B)。在酸性環(huán)境中亞硝酸鹽是良好的氧化劑,能夠氧化TMB 分子;還可與TMB 絡(luò)合物中的伯胺基團(tuán)發(fā)生重氮化反應(yīng),生成重氮鹽。生成的重氮鹽不與其它試劑反應(yīng)形成偶氮復(fù)合物,而是在水性環(huán)境中進(jìn)一步分解成重氮化的TMB 分子,重氮化的TMB 分子在溶液中呈現(xiàn)黃色,使溶液發(fā)生顏色變化,并在450 nm 處產(chǎn)生吸收峰[32]。向反應(yīng)體系中進(jìn)一步加入抗壞血酸(AA)時(shí),溶液由綠色變?yōu)辄S色,并且在652 nm 處的吸收峰消失, A450 略降(圖5C)。采用AA 作為還原劑,可將oxTMB 還原為無(wú)色的TMB。添加AA 后,體系在450 nm 處的吸收峰并未完全消失,表明過(guò)氧化的TMB 已經(jīng)被還原,而剩余的吸光度則歸因于TMB 和亞硝酸鹽發(fā)生的重氮化反應(yīng)。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明亞硝酸鹽和oxTMB 在酸性環(huán)境下發(fā)生重氮化反應(yīng),可以提高檢測(cè)的靈敏度和選擇性,為亞硝酸鹽檢測(cè)提供了良好的方向。因此,采用D-ZIF-67 和TMB 的反應(yīng)體系可以建立用于亞硝酸鹽檢測(cè)的比率型比色傳感器,傳感器的紫外可見(jiàn)吸收光譜在652 和450 mn 處產(chǎn)生相反的變化,與單一信號(hào)相比,選擇A652/450 作為亞硝酸鹽的檢測(cè)信號(hào)可有效避免實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中多種因素的干擾,提高傳感器的特異性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
2.5 檢測(cè)條件的優(yōu)化
為了提高D-ZIF-67 傳感器對(duì)亞硝酸鹽的靈敏度,對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化,以存在和不存在亞硝酸鹽時(shí)傳感器A652/450 的差值(ΔA652/450)為指標(biāo),考察實(shí)驗(yàn)條件的影響。如圖6A 所示, TMB 的濃度會(huì)影響傳感器的靈敏度, ΔA652/450 隨著TMB 濃度增加而逐漸增大,直到TMB 的濃度達(dá)到1 mmol/L 時(shí), ΔA652/450 的增速變緩,因此選擇1.0 mmol/L 作為TMB 的最佳濃度。D-ZIF-67 濃度的影響如圖6B 所示, D-ZIF-67 濃度在0.02~0.03 mg/mL 范圍時(shí), ΔA652/450 最大,因此選擇0.02 mg/mL 作為最佳D-ZIF-67 濃度。pH 值對(duì)傳感器的影響如圖6C 所示, ΔA652/450 在pH=3.6 時(shí)達(dá)到最大,這可能歸因于D-ZIF-67 在酸性條件下的催化活性較強(qiáng)且亞硝酸鹽在酸性條件下更易與TMB 發(fā)生重氮化反應(yīng),因此選擇pH=3.6 為最佳pH 值。圖6D 和6E 展示了孵育時(shí)間對(duì)傳感器響應(yīng)的影響,最終選擇D-ZIF-67 和TMB 的最佳孵育時(shí)間為10 min,亞硝酸鹽和TMB 的最佳孵育時(shí)間為40 min。
2.6 比率型比色傳感器對(duì)亞硝酸鹽的傳感性能
在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下,考察了比率型比色傳感器的線性范圍和靈敏度。如圖7A 所示,在自然光下,當(dāng)亞硝酸鹽的濃度由0 μmol/L 增至300 μmol/L 時(shí),溶液顏色明顯地從藍(lán)色變?yōu)榫G色,然后變?yōu)辄S色;隨著亞硝酸鹽濃度增加,傳感器的A652 逐漸減小, A450 逐漸增大。在3~150 μmol/L 濃度范圍內(nèi), A652/450 與亞硝酸鹽濃度的對(duì)數(shù)值具有良好的線性關(guān)系(圖7B),線性回歸方程為y= ?2.44x+5.7913 (R2=0.996),檢出限為0.08 μmol/L(S/N=3)。與已報(bào)道的亞硝酸鹽檢測(cè)方法相比(表2),本方法的靈敏度更高且檢出限相對(duì)較低。
2.7 傳感器的選擇性
在檢測(cè)體系中加入實(shí)際樣品中可能存在的干擾物質(zhì),考察傳感器的選擇性。如圖8 所示,相較于空白對(duì)照,干擾物質(zhì)Na+、K+、Mg+、Ca2+、NO3?、Cl?、SO4?和CO3 2?對(duì)A652/450 沒(méi)有明顯的影響,表明本傳感器對(duì)常見(jiàn)的干擾離子具有良好的選擇性。
2.8 實(shí)際樣品分析
為考察本方法在實(shí)際樣品中的檢測(cè)能力,采用本方法測(cè)定了香腸和咸鴨蛋中的亞硝酸鹽含量,并與國(guó)標(biāo)中的離子色譜法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表3。亞硝酸鹽的加標(biāo)回收率為97.7%~104.1%,與離子色譜法的加標(biāo)回收率相近,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)≤5.21%。上述結(jié)果表明,本方法可準(zhǔn)確測(cè)定實(shí)際樣品中亞硝酸鹽的含量,具有良好的實(shí)用性。
3 結(jié)論
采用一步沉淀法制備的D-ZIF-67 具有優(yōu)異的類氧化酶活性,并基于D-ZIF-67 的類氧化酶活性構(gòu)建了用于亞硝酸鹽檢測(cè)的比率型比色傳感器。此傳感器對(duì)亞硝酸鹽的線性檢測(cè)范圍為3~260 μmol/L,檢出限為0.08 μmol/L。實(shí)際樣品中亞硝酸鹽的加標(biāo)回收率為97.7%~104.1%,表明構(gòu)建的比率型比色傳感器在亞硝酸鹽檢測(cè)方面具有潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,為未來(lái)構(gòu)建智能化便攜式的亞硝酸鹽檢測(cè)傳感設(shè)備提供了理論基礎(chǔ)。
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河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(No. 22325501D)資助。