《Talanta》：High-Activity OXD-like MnOx Nanozymes: H
2O
2-Free Signal Amplification Strategy for Ultrasensitive Colorimetric Assay of Antioxidants in Fruit Juice
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基于MnOx纳米酶的快速比色传感平台用于果汁中总抗氧化能力检测，检测限1.79 μM，视觉检测限5 μM，总耗时<10分钟，回收率88.76%-109.10%，RSD<3.44%。
乔文腾|尹彩红|陈博远|翟月|宋秀玲
吉林大学公共卫生学院，中国吉林省长春市，130021
摘要
总抗氧化能力是评估食品质量和新鲜度的关键参数，而传统的检测方法往往受到操作复杂性和效率不足的限制。本文开发了一种基于二氧化锰（MnOx）纳米酶的快速、用户友好的比色传感平台，用于定量果汁样品中的抗氧化剂。MnOx纳米酶可以高效催化无色底物3,3′,5,5′-四甲基联苯胺的氧化，生成蓝色反应产物；然而，抗氧化剂的存在显著抑制了这种催化活性，导致反应系统出现浓度依赖性的颜色变化。通过系统优化关键反应参数（如纳米酶浓度、TMB用量、反应温度和孵育时间），该平台实现了1.79 μM的检测限，肉眼可见的检测限为5 μM，总检测时间小于10分钟。在实际果汁样品中的验证证明了该方法的准确性，回收率在88.76%–109.10%之间，相对标准偏差（RSD）均低于3.44%。这项工作介绍了一种新型、高效且稳定的方法，可用于快速监测食品中的总抗氧化能力（TAC），在食品质量控制和安全评估方面具有巨大潜力。
引言
机体中过量的自由基生成可能由长期的生活压力和不良生活习惯引起，会破坏生物系统中的微妙氧化还原平衡，从而增加患各种疾病的风险，包括癌症、心血管疾病和退行性功能障碍（Guan等人，2023；Halliwell，2023；Jomova等人，2023；Sun等人，2024）。已有充分证据表明，特定营养素在维持机体免疫调节功能中起着不可或缺的作用，这一过程与总抗氧化能力（TAC）等关键生理指标密切相关（Mohammed Ameen和Omer，2024）。大多数维生素无法由机体自身合成，必须通过饮食摄入（Fraga等人，2014；Fu等人，2022）。总抗氧化能力的来源主要依赖于饮食，包括饮料、食物和药物（Sh. Mohammed Ameen等人，2025；Zhou等人，2023）。由于饮食中的抗氧化剂（即来自日常食物摄入的抗氧化剂）能够有效中和人体内的自由基，因此TAC常被用作评估食品质量和新鲜度的可靠指标（Qiao等人，2023；Zhao等人，2023）。此外，TAC不仅广泛用于评估食品质量，还作为监测生物系统中氧化应激水平的宝贵参数，有助于了解细胞和组织在各种生理或病理条件下的氧化还原状态（Silvestrini等人，2023）。鉴于TAC在食品品质评估和生物氧化应激监测中的双重重要性，迫切需要建立一种具有高灵敏度、快速响应和操作便捷性的TAC检测方法。
常用的TAC检测方法包括比色法、高效液相色谱法（HPLC）和电化学方法（Louppis等人，2021）。电化学方法响应时间短且灵敏度高，但重现性较差，限制了其实际应用（Zhang等人，2022b）。基于HPLC的方法通常被认为在TAC分析中具有高准确性和可靠性；然而，其广泛应用受到实际限制：需要专门的仪器设备，实验程序复杂，完成单次分析需要较长时间——这些因素使其不太适合高通量或现场检测（Qiao等人，2024；Wang等人，2023）。在这种情况下，基于纳米酶的TAC检测传感器的开发成为一种有前景的策略，可以克服上述挑战，因为这类传感器可以解决HPLC方法的局限性，包括对专用设备的依赖、复杂的程序和较长的分析时间（Louppis等人，2021）。
纳米酶（具有酶样功能的纳米材料）迅速成为了一个多样化的研究领域，具有独特的优势：可调节的催化活性、在恶劣环境中的稳定性、灵活的组成/结构设计以及成本效益（Alshatteri等人，2024；Bu等人，2025；Guan等人，2023；Li等人，2023；Wu等人，2019）。因此，纳米酶的出现（作为传统酶的创新替代品）使得能够开发出针对TAC检测的纳米酶传感器，从而克服HPLC的实际限制，实现高性能和便捷性（Zhang等人，2022a）。随着具有显著催化性能的各种纳米材料（包括单原子纳米酶）的发现，这些纳米酶的出现使得能够开发出针对TAC检测的纳米酶传感器（Xu等人，2021），碳基纳米酶、金属有机框架（MOFs）（Mohammed Ameen和Omer，2024；Xia等人，2024）、共价有机框架（COFs）和多种金属氧化物（这些材料在生物传感、免疫测定、癌症诊断/治疗和污染物去除方面均显示出有效性）——这些纳米酶的出现使得能够开发出针对TAC检测的纳米酶传感器，克服HPLC的实际限制，实现高性能和便捷性（Fu等人，2022；Jin等人，2020；Karrat等人，2025）。
为了克服传统总抗氧化能力（TAC）检测的实际限制，我们设计了一种基于MnOx纳米酶的快速比色纳米传感器平台，利用其高度活性的类似氧化酶（OXD-like）的活性，在不需要添加外源性H?O?的情况下实现果汁基质中抗氧化剂的视觉和便捷检测。具体而言，在传感器的微环境中，MnOx纳米酶通过其内在的OXD-like活性有效地将显色底物3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）转化为蓝色氧化产物；同时，集成的催化信号放大进一步增强了响应信号，实现了超高的检测灵敏度。然而，抗氧化剂显著抑制了这种类似氧化酶的活性，导致颜色变化与抗氧化剂浓度有明显的剂量依赖性。利用这一机制，MnOx纳米酶无需辅助试剂即可实现直接的视觉/定量吸光度检测，并且能够很好地适应复杂的食品基质（如果汁），抵抗内源性干扰（糖类、有机酸），从而成为一种高性能、操作便捷的检测方法，适用于这类基质中的敏感、选择性抗氧化剂和TAC检测。
试剂和设备
氯化锰四水合物（MnCl?·4H?O）、硼氢化钠（NaBH?）、柠檬酸（CA）、柠檬酸钠（E331）、葡萄糖（GLU）和蔗糖（SU）购自北京化学工业公司。抗坏血酸（AA）来自德国的Lankem Biotechnology有限公司。3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、没食子酸（GA）和谷胱甘肽（GSH）购自上海Macklin生化技术有限公司。D(-)阿拉伯糖购自Aladdin Chemistry有限公司。
表征
MnOx的合成方法简单，便于低成本大规模生产。合成产物为棕色粉末，XRD分析（2θ范围：5–90°）未显示明显的晶体峰，这与OXD-like MnOx的结构特征一致（图1A）。SEM图像（图1B）初步显示MnOx纳米酶具有层状形态，高倍率TEM表征（图S1）进一步证实了其多孔堆叠层结构的存在。
结论
开发的基于MnO?纳米酶的比色传感平台在室温下显示出广泛的抗氧化剂检测潜力。这种创新方法具有速度快、准确度高和操作简便等优点，非常适合细致的食品安全监测和严格的质量控制过程。与反应相关的鲜明颜色变化提供了即时的视觉反馈，提高了用户体验和可靠性。
CRediT作者贡献声明
宋秀玲：撰写——审稿与编辑、方法学、资金获取。翟月：撰写——审稿与编辑、方法学、正式分析。陈博远：可视化、正式分析。尹彩红：正式分析、数据管理。乔文腾：撰写——初稿、数据管理、概念构思
声明和声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金 [资助编号82373578]和吉林省教育厅 [资助编号JJKH20250210KJ]的支持。
