基于PDA/MnOx纳米颗粒的D-青霉胺介导的漆酶样活性，实现水中和酒精饮料中Cu2+的简单比色检测

《Food Chemistry》：Simple colorimetric detection of Cu2+ in water and alcoholic beverages based on D-penicillamine-mediated laccase-like activity of PDA/MnO x nanoparticles

纳米酶催化检测铜离子新方法研究

　　

胡梦婷|岳振辉|赵峰|雷珍

武汉工业大学化学与环境工程学院，中国武汉430205

摘要

铜离子（Cu²⁺）是水和酒精饮料中普遍存在的一种重金属离子污染物，过量摄入会导致多种疾病。因此，准确且灵敏地检测Cu²⁺对人类健康至关重要。本研究提出了一种基于PDA/MnO_x纳米颗粒类漆酶活性的简单比色法来检测Cu²⁺。PDA/MnO_x纳米颗粒的优异类漆酶活性来源于超氧阴离子自由基和氧空位。由于D-苯丙胺（DPA）既可作为MnO_x纳米颗粒的蚀刻剂，也可作为Cu²⁺的螯合剂，因此可以通过DPA介导的PDA/MnO_x纳米颗粒类漆酶活性实现Cu²⁺的比色检测。该方法具有宽检测范围（0.5–100 μM）、低检测限（61 nM）和良好的选择性，并已成功应用于水和酒精饮料中Cu²⁺的检测。结合智能手机，可以实现无需仪器的现场分析。该方法为设计基于纳米酶的Cu²⁺比色传感器提供了一种新策略，在饮料安全监测方面展现出巨大潜力。

引言

铜离子（Cu²⁺作为人体中的常见微量元素，在多种代谢途径中起着重要作用。Cu²⁺是许多蛋白质的辅因子，维持着身体的正常生理功能（He等人，2025；Yuan等人，2025）。同时，Cu²⁺还涉及电子工业、化学工程和农业生产等多个与人类生活相关的领域（Zhao等人，2025）。人体内适量的Cu²⁺对健康至关重要，但Cu²⁺的生理失衡会导致多种疾病，包括神经退行性疾病（Migliorini等人，2012）、肾脏损伤（Zhou等人，2024）和威尔逊病（Feng等人，2021）。世界卫生组织（WHO）规定饮用水中Cu²⁺的最大允许浓度为31.5 μM，而中国卫生部将Cu²⁺的安全限定为20.3 μM（Aydin等人，2023）。然而，除了通过水和食物摄入外，饮用酒精饮料也会导致人体内Cu²⁺的积累。由于Cu²⁺在生产工艺中的特殊作用，酒精饮料传统上使用铜制设备进行蒸馏，这可能导致蒸馏产物中的Cu²⁺污染（Krambeck等人，2021）。因此，准确且灵敏地检测饮用水和酒精饮料中的Cu²⁺对食品安全至关重要。

迄今为止，已经提出了多种Cu²⁺检测方法，如原子吸收光谱法（Ghaedi等人，2007）、荧光法（Hao等人，2024；Jia等人，2026；Li, Pu, Cao, Jia, & Wang, 2026；Wang, Chen等人，2024）、电化学传感器（Mohammadi等人，2025；Timoshenko等人，2024）和比色法（Hu等人，2022；Lian等人，2022）。其中，比色法因其简单性和可视化特点而备受青睐，可以通过分光光度计或智能手机实现。与智能手机结合使用的比色传感器不再依赖专用仪器，从而能够进行现场测试。智能手机可以捕捉目标物质引起的颜色变化，并通过颜色识别应用程序分析RGB值以进行定量分析（Cao等人，2026；Li, Pu, Cao, Jia, Wang, & Wu, 2026；Wang等人，2025）。Cu²⁺的比色传感器主要通过两种方式构建：一种是Cu²⁺诱导的贵金属纳米材料的聚集或蚀刻（Guo等人，2020；Zheng等人，2020；Zhou等人，2022）；另一种是Cu²⁺触发的纳米酶类酶活性的变化（Lian等人，2022；Tang等人，2021）。基于纳米酶的比色方法因其显著优势而受到关注，如易于合成、可调节的催化活性和优异的稳定性（Xia等人，2024）。据报道，多种纳米材料具有类酶活性，包括贵金属纳米颗粒（Ouyang等人，2022）、金属氧化物（Qin等人，2024）、金属有机框架（Zhang等人，2024）和碳基材料（Zhuang等人，2024）。许多比色方法基于目标物质对纳米酶催化活性的抑制（Feng等人，2024；Fu等人，2025），但这可能导致选择性较差（Han等人，2024）。此外，这些“信号关闭”方法中的高背景信号可能会影响灵敏度。因此，亟需简便制备纳米酶并构建灵敏的“信号开启”比色传感器。

近年来，由于类漆酶仅产生H₂O作为最终还原产物，因此其在不同领域受到了广泛关注（Chen等人，2025）。类漆酶可以催化氧化多种酚类物质，并与4-氨基安替比林（4-AAP）反应生成粉红色产物。因此，也可以利用纳米酶的类漆酶活性开发比色方法。由于铜离子是天然漆酶的活性中心，大多数关于类漆酶的研究都集中在含铜的纳米材料上，如Bpy-Cu（Li等人，2022）、CuNAD（Li, Zhang等人，2023）和PDA-Cu纳米颗粒（Wang, Liu等人，2024）。以其他金属作为活性中心的类漆酶纳米颗粒的合成是一个新的研究方向，已经报道了几种无铜的具有类漆酶活性的纳米材料，包括Mn MOF（Xu等人，2024）、立方Ag₂O纳米颗粒（Huang等人，2023）和Fe/NC SAzyme（Wang, Xu等人，2024）。然而，一些纳米酶需要昂贵的试剂和复杂的合成步骤，限制了其广泛应用。因此，开发具有新型金属活性中心的类漆酶具有挑战性。

在本研究中，通过室温下多巴胺盐酸盐（DA）和高锰酸钾（KMnO₄）之间的氧化还原反应，简便制备了具有优异类漆酶活性的PDA/MnO_x纳米颗粒（PDA/MnO_x NPs）。所得PDA/MnO_x纳米颗粒能够高效催化2,4-二氯酚（2,4-DP）的氧化，并与4-AAP生成粉红色的醌亚胺染料。研究了PDA/MnO_x纳米颗粒作为类漆酶的催化动力学、催化机制和催化稳定性。据报道，D-苯丙胺（DPA）既是MnO₂纳米颗粒的蚀刻剂，也是Cu²⁺的螯合剂。通过协同利用DPA的这两种作用和PDA/MnO_x纳米颗粒的类漆酶活性，提出了一种用于Cu²⁺检测的“信号开启”比色方法（图1）。该比色传感器具有宽检测范围（0.5–100 μM）、低检测限（61 nM）和良好的选择性。结合智能手机后，可以通过RGB模式实现无需仪器的现场分析，显著提高了成本效益和便携性。此外，该比色传感器在检测水和酒精饮料中的Cu²⁺方面表现出良好的适用性。该方法为设计基于纳米酶的Cu²⁺比色传感器提供了一种新策略，在饮料安全监测方面展现出巨大潜力。

试剂

高锰酸钾（KMnO₄）、硫酸铜(II) hydrate、4-氨基安替比林（4-AAP）、异丙醇（IPA）和乙二胺四乙酸二钠盐（EDTA）购自中国上海的中药化学试剂有限公司。多巴胺盐酸盐（DA）和色氨酸（Trp）购自中国武汉的武汉高奥化学试剂有限公司。D-苯丙胺（DPA）、2,4-二氯酚（2,4-DP）、羟胺盐酸盐、对苯醌（PBQ）和2,9-二甲基-1,10-菲啶

PDA/MnO_x纳米颗粒的合成与表征

受2-(N-吗啉基)乙烷磺酸（MES）与KMnO₄之间氧化还原反应制备的MnO₂纳米片的启发（Fan等人，2015），我们尝试使用DA作为还原剂制备MnO_x纳米颗粒。与MES不同，DA在反应过程中被KMnO₄氧化为PDA，从而形成PDA/MnO_x复合纳米颗粒（Chen等人，2019）。首先通过SEM分析了PDA/MnO_x纳米颗粒的形态。如图1a所示，PDA/MnO_x纳米颗粒是小的聚集颗粒，TEM图像

结论

总之，简便制备了具有优异类漆酶活性的PDA/MnO_x纳米颗粒，用于开发Cu²⁺的比色检测方法。PDA/MnO_x纳米颗粒能有效激活溶解氧生成¹O₂和?O₂^?，并催化2,4-DP与4-AAP生成粉红色的醌亚胺染料。具有还原性的DPA会导致MnO_x纳米颗粒的蚀刻，从而降低类漆酶活性。Cu²⁺与DPA之间的螯合作用抑制了MnO_x纳米颗粒的蚀刻，从而恢复了催化活性

CRediT作者贡献声明

胡梦婷：撰写——原始草稿、研究、正式分析、数据管理、概念构思。岳振辉：验证、监督、正式分析。赵峰：监督、数据管理。雷珍：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法学、概念构思。

未引用参考文献

Li等人，2019

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62001335）的财政支持。