利用增强的类过氧化物酶纳米酶-磁性纳米粒子系统，通过Mannich介导的方法实现智能手机荧光检测甲醛

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Mannich-Mediated Smartphone Fluorescence Detection of Formaldehyde Using Enhanced Peroxidase-like Nanozyme-Magnetic Nanoparticle System

甲醛检测中纳米酶与智能手机联用平台研究，采用MMP@Ag/ZnO纳米酶通过曼尼希反应特异性捕获甲醛，结合磁性分离和OPD荧光氧化体系，智能手机微型荧光检测系统实现低至0.77 μM的检测限，在海鲜和鸡肉样本中验证了高灵敏度和准确性。

　　

Nopphakon Phongsanam|Samuch Phetduang|Supinya Nijpanich|Sawanya Tasarin|Khemika Wannakan|Kessarin Ngamdee|Xiang-Kui Ren|Wittaya Ngeontae

泰国孔敬大学理学院化学系，孔敬40002

摘要

在食品样本中开发精确的甲醛检测方法至关重要，因为尽管甲醛具有严重的健康风险，但它仍常被非法用作防腐剂。本研究介绍了一种创新的检测平台，该平台结合了基于纳米酶的复合纳米颗粒和智能手机技术。该平台采用了一种新的纳米酶，通过AgNPs修饰增强了ZnO纳米颗粒的过氧化物酶活性，并用甲基3-巯基丙酸酯（MMP@ZnO/AgNPs）进行封端。该方法通过β-氨基-羰基化合物的形成来检测甲醛（FA），利用胺功能化的磁性纳米颗粒（MNPs）与MMP@ZnO/AgNPs催化剂之间的Mannich反应。甲醛浓度与结合在MNPs上的过氧化物酶纳米颗粒的数量相关，这些纳米颗粒可以通过磁力从溶液中分离出来。这些纳米酶随后催化H₂O₂介导的o-苯二胺（OPD）的氧化，生成荧光标记物。基于智能手机的微型荧光检测设备捕获荧光信号，并通过智能手机应用程序将其转换为RGB强度。该平台表现出优异的性能，线性检测范围为1.5-50 μM，检测限（LOD）为0.77 μM。使用鸡肉和海鲜样本进行的验证显示，与传统分析方法相比，该方法具有更高的准确性和精度。将纳米技术与基于智能手机的平台相结合，代表了化学传感技术的重大进步，实现了高效的现场甲醛检测。

引言

甲醛（FA）在2004年被国际癌症研究机构（IARC）列为潜在致癌物[1]，对健康构成重大风险。暴露于0.1 ppm以上的甲醛会导致皮肤和眼睛刺激、鼻塞和胃肠道不适[2]，[3]，而摄入量超过2.6 mg L^-1则与认知障碍、阿尔茨海默病、癌症和死亡有关[2]。有效的甲醛检测方法对于减少暴露至关重要[4]。现有的方法——电化学[5]和比色[6]——受到化学干扰和基质效应的影响，而色谱方法[7]、[8]需要昂贵的实验室设备，操作成本高，且无法在现场进行，因此需要适用于多种样本类型的灵敏方法。

磁性纳米颗粒（MNPs）因其超顺磁性而受到重视，能够从复杂混合物中实现磁分离，减少干扰，提高选择性，并预浓缩目标分析物[9]。混合金属氢氧化物修饰的MNPs已被用于ATP检测中的分析物分离和预浓缩，避免了基质干扰[10]，而带有疏水基团和多巴胺涂层的MNPs则实现了人血样本中多巴胺的检测[11]。这些应用表明，MNPs可能对多种样本和条件下的甲醛检测具有价值。

基于荧光的方法提供了快速、高灵敏度的甲醛检测。关键方法包括通过银纳米簇形成的Tollens试剂检测[12]和在碳点上沉积Ag⁰[13]，利用活细胞中的氮杂-Cope反应的同烯丙胺修饰探针[14]，MnO₂纳米片催化的OPD系统通过Schiff碱反应响应甲醛[15]，以及包含蒽羧酰胺[16]和1,8-萘酰亚胺骨架[17]的肼修饰荧光探针通过-N=CH₂形成检测甲醛。虽然大多数方法需要传统的荧光光谱仪，但最近的发展探索了将荧光传感器与基于智能手机的微型荧光检测系统（Smartphone@MFDS）相结合。

具有先进相机功能的现代智能手机能够实现高分辨率摄影和光学传感应用[18]，从而创建了便携、用户友好的设备，用于通过比色和荧光技术实时检测生物和化学分析物。虽然使用智能手机相机通过ImageJ或自定义应用程序测量RGB强度的比色传感很简单[19]、[20]，但荧光测量仍然具有挑战性，需要针对特定荧光团波长进行专门设计，包括适当的光源和滤光片[9]、[21]，尽管创新的照明路径显示出前景[22]。最近的发展增加了对便携式荧光仪和基于智能手机的解决方案的兴趣，推动了对灵敏可靠荧光分析技术的需求。

Mannich反应是一种关键的碳-碳键形成过程，它结合了甲醛（FA）、胺和可烯醇化的羰基化合物。在酸性条件下，甲醛与胺形成亚胺离子，而羰基化合物异构化为烯醇，后者攻击亚胺离子形成β-氨基羰基化合物[23]。这一反应在药物开发中用于增强生物活性和修饰天然化合物[24]，以及在ELISA中用于将植物雌激素锚定到蛋白质上[25]、[26]。虽然只有一项研究报道了使用该反应通过分子内反应与邻氨基芳香族偶氮染料检测甲醛[27]，但其独特的机制为开发特定于甲醛的传感器提供了新的机会。

纳米酶是具有酶模拟活性的纳米材料，通过表面介导的催化作用提供高耐受性、成本效益和独特性能[28]。它们的过氧化物酶样活性通过电子转移到H₂O₂产生活性氧（ROS），使其在病原体消除、癌症治疗[28]、环境修复[29]和传感器开发（通过底物氧化）中得到应用[30]。提高灵敏度的策略包括在夹心ELISA中修改AuNPs-pAb的形态[31]、用于细菌检测的双金属系统如AuPt[32]、用于H₂O₂检测的三元纳米酶如FePt-Au[33]、用于唾液分析的混合结构如Fe-Ni MOFs[34]、用于碳水化合物检测的MoS₂负载AuNPs[35]、用于Hg²⁺检测的MoS₂片与ZnO和g-C₃N₄[36]、以及用于癌细胞检测的GO/Au系统[37]。这些方法强调了最大化表面积与体积比在提高催化性能中的关键作用。

氧化锌（ZnO）板由于其二维结构、低表面积与体积比、宽带隙（约3.1 eV）和较差的电子迁移率而表现出有限的过氧化物酶样活性[38]。然而，它们的平坦表面可以有效地用银纳米颗粒（AgNPs）进行装饰，银纳米颗粒具有强过氧化物酶样特性。Ag/ZnO混合物通过降低带隙和改善向H₂O₂的电子转移，增强了催化活性，结合了AgNPs的固有过氧化物酶模拟能力和ZnO平台。这种纳米酶系统能够实现快速级联反应，从而实现灵敏检测，尽管将这些混合纳米颗粒与特定化学反应（如Mannich反应）结合的研究仍不充分。

本研究介绍了一种创新的荧光检测平台，结合了智能手机技术和复合纳米酶进行甲醛分析。该系统使用MMP@Ag/ZnO纳米酶，其中银纳米颗粒掺杂到ZnO板上，并用甲基3-巯基丙酸酯（MMP）进行封端，以增强过氧化物酶样活性。这些纳米酶通过与胺功能化的磁性纳米颗粒（MNPs）的Mannich反应相互作用，形成β-氨基-羰基键。甲醛浓度与结合在MNPs上的过氧化物酶纳米颗粒的数量直接相关，从而可以通过磁力分离进行测量。结合的纳米酶催化H₂O₂介导的o-苯二胺（OPD）的氧化，生成荧光2,3-二氨基吩嗪（DAP）。该检测系统用Smartphone@MFDS替代了传统的荧光光谱仪，将信号转换为RGB强度。使用海鲜和鸡肉样本进行验证后，该方法显示出优异的灵敏度、选择性和便携性，同时降低了现场检测的分析复杂性和操作成本。

化学材料和试剂

所有使用的化学品均为分析级，无需进一步纯化。所有实验过程中均使用去离子水（18.2 MΩ·cm）。化学试剂来自多个供应商：o-苯二胺（OPD）和甲基3-巯基丙酸酯（MMP）来自Sigma-Aldrich（中国），而醋酸锌二水合物（Zn(CH₃CO₂)₂·2H₂O）、硝酸银（AgNO₃和硼氢化钠（NaBH₄）来自Sigma-Aldrich（美国）。Merck（德国）也提供了相关试剂

传感器设计和检测机制

本研究提出了一个基于Mannich反应的荧光检测平台用于甲醛检测。传感机制依赖于磁性纳米颗粒（MNPs）和银/氧化锌（Ag/ZnO）纳米酶之间的相互作用，后者表现出增强的过氧化物酶样活性，这对于荧光信号的生成至关重要。传感器由两部分组成：用烯醇化羰基团（通过MMP修饰）功能化的Ag/ZnO纳米酶和用氨基团修饰的MNPs

结论

本研究展示了一种结合Mannich反应化学和Smartphone@MFDS的新型甲醛（FA）检测方法。我们开发了一种高效的纳米酶复合材料，由氧化锌纳米板和银纳米颗粒及甲基3-巯基丙酸酯（MMP@Ag/ZnO）组成，表现出增强的过氧化物酶样催化活性。检测机制基于胺功能化的磁性纳米颗粒（MNPs/SiO₂/NH₂）与MMP@Ag/ZnO之间的协同作用

CRediT作者贡献声明

Khemika Wannakan：方法学、研究。Kessarin Ngamdee：写作——审稿与编辑、监督。Xiang-Kui Ren：监督、写作——审稿与编辑、原始草稿编写、资源管理、项目管理、方法学、资金获取、概念化。Nopphakon Phongsanam：写作——原始草稿编写、可视化、验证、方法学、研究、概念化。Samuch Phetduang：软件、方法学。Supinya Nijpanich：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了孔敬大学基础基金的支持，该基金隶属于泰国国家科学、研究与创新基金（NSRF）。

Nopphakon Phongsanam在泰国孔敬大学获得化学硕士学位。他目前是孔敬大学的化学博士生，在Wittaya Ngeontae教授的指导下进行研究。他的研究兴趣集中在用于传感和催化的光学纳米材料上，包括材料的合成和修饰及其在传感器制造中的应用。