基于纳米模拟酶活性调控的食品快速比色检测方法研究

摘要

由于酶的高催化活性和高特异性等特点，酶催化反应在食品分析领域具有很重要的实用价值。基于酶催化的检测方法可测定食品内源性酶活性、作为酶底物或激活剂（抑制剂）的食品组分浓度等以指示食品的生化状态，还可以与免疫技术等结合监测许多食品安全风险因子。然而天然酶具有稳定性差、来源有限、昂贵不易得等缺陷从而导致其应用受到限制。近年来，随着纳米科学与技术的迅猛发展，基于无机纳米材料的新型人工模拟酶（纳米酶）的开发制备及应用受到越来越多的关注。纳米酶的表界面是影响其酶催化活性的关键因素之一，因此纳米酶表界面性质及其活性调控研究将为纳米酶取代天然酶的应用提供重要的理论基础。本论文系统深入地研究了环境因子（包括硫酸根阴离子（SO42-）、DNA单链（ssDNA）及二价汞离子（Hg2+）等）对具有良好应用前景的纳米二氧化铈(CeO2)、锰钴氧化物（MnCo2O4)亚微球和壳聚糖修饰的二硒化钼纳米片（CS-MoSe2 nanosheets）的类酶活性的影响，探讨这些外部调节分子与纳米酶的界面相互作用对纳米酶活性的调控作用及作用机制，旨在发掘对纳米酶活性有效的调制策略而实现更灵敏、可靠、便携的食品快速检测方法。本研究取得的主要成果如下： 1. 谷胱甘肽（GSH）具有广谱解毒效果，在细胞抗衰老、增强免疫力、抗肿瘤等功能性食品中广泛应用，因此研究针对谷胱甘肽的灵敏快速的检测方法具有重要意义。为此，我们深入研究了利用激活剂分子SO42-进行表面选择性修饰以提升纳米CeO2的氧化酶模拟活性的策略，从而构建用于功能饮料中GSH比色分析的高灵敏检测平台。我们的研究揭示了CeO2纳米酶显示出形貌依赖性的氧化酶催化活性。作为CeO2氧化酶的激活剂分子，硫酸根离子优先与CeO2纳米棒结合并激活CeO2纳米棒的{110}面上的催化，此现象归因于硫酸根离子的选择性吸附，从而导致纳米CeO2的表面的电荷变化、电子转移加速及Ce3+含量增加。利用谷胱甘肽（GSH）可抑制纳米酶催化的特点，我们利用SO42-/CeO2纳米酶构建了GSH的比色检测平台，并将检出限提升至32 nM，从而证明了CeO2酶活调控检测法进一步应用于实际功能饮料分析的潜力。 2. 高毒性的真菌毒素对食品的污染一直是困扰食品安全研究人员的难题。为了拓宽纳米酶在食品中真菌毒素检测方面的应用，我们系统研究了尖晶石MnCo2O4的氧化酶模拟活性及其ssDNA调控机制，并利用aptamer/MnCo2O4成功建立了一种用于玉米粉中真菌毒素的比色检测方法。从我们的结果可得出结论， MnCo2O4的强氧化酶模拟活性可能来源于其尖晶石结构中 Co3+/Co2+和Mn3+/Mn2+氧化还原循环的共存。MnCo2O4纳米酶活性的可逆调控是由ssDNA链在其表面上的附着/脱离而实现的，这为生物分子识别提供了一个高效的通道。基于此原理，我们构建了检测赭曲霉毒素A的比色检测方法，实现了低至0.08 nM的检测限。此法的检出限和特异性可与许多常用方法相匹敌，并且在在实际玉米粉样品分析中显示出良好的适用性。 3. 经食物或饮用水摄入人体的汞对人类健康构成严重威胁，故汞污染防治已成为人类共同面临的世界性难题。为建立简单快速、灵敏、特异性良好的汞离子（Hg2+）检测方法，我们深入探究了汞离子对壳聚糖修饰的二硒化钼纳米片（CS-MoSe2 nanosheets）的过氧化物酶（POD）和氧化酶（OD）活性的激活效应，建立了一种基于CS-MoSe2 nanosheets的快速灵敏的比色探针用于饮用水等样品中汞离子的分析。研究表明，即使痕量的Hg2+也可以有效提升CS-MoSe2的POD和OD活性，其主要诱因是汞离子在CS-MoSe2表面被原位还原成Hg0，促进了模拟酶与底物间的电子转移。进一步，我们利用CS-MoSe2 nanosheets比色探针可实现低至3.5 nM（光谱）和100 nM（肉眼）的检查限，同时能够保证很高的选择性。此外，我们的方法在实际的水体和血清样品检测中也能够取得比较可靠的检测结果。我们的工作开辟了非贵金属纳米酶作为汞离子的比色传感器的先例，很大程度上降低了此类传感器的成本，为汞离子检测提供更简单、廉价、快速和可靠的方法。

目录

第一章 文献综述

1.1 酶与食品分析技术

1.2 纳米模拟酶概述

1.3 纳米模拟酶的活性调控策略

1.4 本论文的研究内容及目的意义

1.5 本课题的技术路线

第二章 基于硫酸根离子对纳米CeO2氧化酶活性的激活效应检测功能饮料中GSH的方法

2.1 引言

2.2 试验材料与方法

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 基于aptamer对MnCo2O4亚微球氧化酶活性的可逆调控检测玉米粉中OTA的方法

3.1 引言

3.2 试验材料与方法

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章基于Hg2+对壳聚糖-MoSe2纳米片纳米酶活性的激活效应检测饮用水中Hg2+的方法

4.1 引言

4.2 试验材料与方法

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 结论与展望

5.1 本文主要结论

5.2 主要创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

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