具有卟啉基金属有机框架表面封装的双功能Z-方案异质结纳米酶，结合在共价有机框架上，用于食品中黄曲霉素B1的集成检测与去除

《Journal of Hazardous Materials》：Dual-functional Z?scheme heterojunction nanozymes with surface encapsulation of porphyrin-based metal-organic framework on covalent organic framework for integrated detection and removal of aflatoxin B1 in foods

　　

王碧柔|李翔|黄曦|莫书聪|尹佳|陈博文|黄云|杜萍|何素芳

中国云南省昆明市昆明科技大学材料科学与工程学院，邮编650093

摘要

黄曲霉毒素B₁（AFB₁）的污染对食品安全和环境健康构成了严重威胁，因此开发高效的检测和去除策略成为研究的热点领域。本文通过将基于卟啉的金属有机框架（TCPP-Fe）生长在共价有机框架（TATP）表面，构建了一种具有高过氧化物酶（POD）活性的Z型异质结纳米酶，用于同时检测和有效去除食品中的AFB₁。TATP/TCPP-Fe复合材料的增强POD活性可归因于异质结内的界面电荷转移。根据米氏方程计算，其对过氧化氢（H₂O₂）和3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）的稳态动力学参数K_{m分别可达0.21和0.24 mmol/L。本文提出了活性氧（ROS）的生成过程以及TATP/TCPP-Fe内部电荷转移的具体催化机制。基于生成的ROS（包括羟基自由基（•OH）和超氧阴离子（•O2^–）的强氧化能力，建立了AFB1的直接检测和去除方法。使用TATP/TCPP-Fe复合材料可实现0.34 μg/L的低检测限（LOD）和99.8%的高去除率。这一集成检测和去除策略已成功应用于实际干果样品中，展示了其在食品和环境基质中现场监测和绿色修复AFB1污染的潜力。}

引言

黄曲霉毒素B₁（AFB₁）是由黄曲霉和寄生曲霉产生的一种高毒性次级代谢物。世界卫生组织国际癌症研究机构（IARC）已将其明确列为I类致癌物[1]、[2]、[3]、[4]。这种毒素污染范围广泛，常见于各种农产品中，如发霉的水果、潮湿的谷物及其制品[5]、[6]、[7]。由于其极强的致癌性和致突变性，对全球食品安全和公共卫生构成了严重威胁[8]、[9]、[10]。此外，AFB₁具有较高的熔点和优异的化学稳定性，能够在常规食品加工和环境条件下长期存在。通过物理或简单的化学方法难以有效去除[11]。因此，开发安全检测和去除这些有害物质的方法对于食品安全和环境健康至关重要。

目前，AFB₁的检测方法主要包括色谱法[12]、[13]、[14]、酶联免疫吸附测定[15]、毛细管电泳[17]、荧光分析[18]、电化学[19]和比色法[20]。这些方法大多依赖昂贵的仪器和特殊的操作条件，不适合快速现场筛查[21]、[22]。对于AFB₁的去除，物理方法效率较低[23]，化学方法存在二次污染风险[24]，生物方法则面临稳定性差和储存要求严格的问题[25]。像光催化这样的新兴技术仍需在实际条件下进一步优化[26]、[27]。然而，现有的检测和去除方法都仅具备单一功能，无法在识别后消除毒素的毒性，仍存在二次污染的风险[28]、[29]。近年来，一些研究开发了集成了AFB₁检测和去除的双功能平台。Lin等人[30]开发了一种基于Fe-Co的MOF纳米酶作为双功能平台，结合了AFB₁的比色检测和Fenton催化去除。Ma等人[31]报道了一种Eu-MOF/g-C₃N₄双功能材料，在120分钟内实现了94.33%的光催化降解效率，并通过放射性荧光实现了AFB₁的检测。因此，开发兼具高灵敏度检测和高效去除AFB₁的双功能平台对于提高食品安全具有重要意义。

纳米酶是一种模拟天然酶功能的人工材料，由于其高催化活性、简单的合成过程、优异的稳定性和低生产成本[32]、[33]、[34]，被认为是天然酶的理想替代品。这些优势使其成为构建高性能纳米酶的理想平台，并已广泛应用于生物传感[35]、环境污染物去除[36]、[37]、[38]、生物医学诊断和治疗[39]以及催化转化[40]等领域。其催化机制通过底物激活产生活性氧（ROS），这些强氧化性的ROS进一步用于污染物的比色检测和氧化分解[41]、[42]、[43]。然而，单组分纳米酶仍存在局限性，如催化活性位点不足和底物传质速率低，限制了其在复杂基质中的实际应用效果。因此，开发具有高催化活性的新型纳米酶尤为迫切。

可以通过调整金属元素比例[44]、形态调控[45]、[46]、晶体缺陷调控[47]、[48]和表面功能化[49]等策略来调节纳米酶的催化活性。其中，构建半导体异质结可以有效促进界面电荷分离和转移，为提高其催化活性提供了一种简单高效的方法[50]、[51]。在各种纳米酶中，基于卟啉的金属有机框架（MOFs）表现出优异的POD活性，因为卟啉环与金属中心之间的配位结构可以精确模拟天然过氧化物酶的活性中心。然而，单一金属位点的存在导致催化位点不足和电子转移效率低下。研究表明，将MOFs与功能载体复合可以协同增加活性位点数量并提高电子转移效率[52]。共价有机框架（COFs）由于其长程有序的共轭结构、可调的层次孔结构和高的比表面积，已成为构建高性能复合纳米酶的理想载体[53]。因此，基于COFs和基于卟啉的MOFs设计异质结纳米酶是一种有效的策略，可以同时具备良好的催化活性和优异的稳定性。

在本研究中，我们通过在共价有机框架表面原位生长基于卟啉的金属有机框架，制备了一种Z型异质结纳米酶（TATP/TCPP-Fe），旨在同时检测和去除AFB_{12^–）的生成。随后，开发了一种基于适配体的AFB1比色检测方法，实现了低至0.34 μg/L的灵敏度和选择性检测。此外，其显著的氧化能力促进了AFB1的快速高效去除，去除率高达99.8%。同时，TATP/TCPP-Fe在检测和去除过程中表现出优异的稳定性和重复性。通过LC-MS阐明了去除机制和中间产物。在实际干果样品中验证了所建立的检测和去除方法，证实了其可靠的实用性。这表明所制备的纳米酶在食品和环境基质中的现场监测以及AFB1污染的绿色修复方面具有巨大潜力。}

章节片段

化学物质和试剂

所有化学物质和试剂无需进一步纯化，可直接使用。黄曲霉毒素B₁（AFB₁，纯度99.3%）购自青岛普瑞博实验室生物工程有限公司（中国青岛）。Fe(NO₃)₃·9H₂O购自上海泰坦科技有限公司（中国上海）。四（4-羧基苯基）卟啉（TCPP，纯度97.3%）购自上海碧德制药科技有限公司（中国上海）。其他化学物质和试剂的详细信息见补充材料（SM）的S1部分。

TATP/TCPP-Fe和TATP/TCPP-Fe/ssDNA的制备

TATP

TATP/TCPP-Fe的特性

图1展示了TATP/TCPP-Fe的合成方法及其AFB₁的检测和去除过程。TATP富含氮原子，TCPP-Fe中的铁中心容易与含氮官能团形成配体键，从而协同复合形成具有高酶活性的TATP/TCPP-Fe（图1a）。基于ROS的强氧化性质，对TATP/TCPP-Fe/ssDNA探针进行适配体修饰，使其能够特异性竞争结合AFB₁。

结论

总之，本研究成功设计并合成了TATP/TCPP-Fe纳米酶，能够同时实现AFB₁的比色检测和有效去除。该材料通过Z型异质结内的界面电荷转移表现出增强的POD活性。通过表征验证了•OH和•O₂^–的生成，进一步确认了ROS的生成过程和电荷转移催化机制。随后，开发了一种比色

环境影响

本研究设计了Z型异质结TATP/TCPP-Fe纳米酶，以实现高毒性和持久性环境污染物AFB₁的灵敏检测和高效去除。基于TATP/TCPP-Fe的高POD活性，生成的ROS具有强氧化性，通过监测和从复杂食品基质中同时催化去除AFB₁验证了其稳定性。同时，其在实际干果中的应用表明了其潜力

CRediT作者贡献声明

莫书聪：数据整理。黄曦：正式分析、数据整理。李翔：正式分析、数据整理。王碧柔：撰写——初稿、正式分析、数据整理。黄云：数据整理。陈博文：数据整理。尹佳：正式分析。何素芳：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、概念构思。杜萍：撰写——初稿、监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号22368029）、云南省重大科技项目（项目编号202302AG050002）、云南省万人计划青年英才项目（项目编号YNWR-QNBJ-2020-002）和云南省基础研究项目（项目编号202301AT070441）的支持。