基于金磁微粒模拟酶电化学增强体系检测抗坏 [复制链接]

建立一种简便、可靠、快速和高选择性的检测和定量抗坏血酸的方法十分必要。电化学传感检测法因其具有灵敏度高、操作简单、响应速度快和检出限低等优点不断进入人们的视野。电化学酶生物传感器将酶与底物相互作用和电化学分析功能相结合，是目前最常用的生物传感平台，但其同时也存在稳定性差、信号较弱、酶促反应时间较长和基底效应等缺陷。与此相比，引入纳米模拟酶与电化学分析相结合的方法具有高稳定性、高灵敏度、高选择性和低成本等优势。Fe3O4纳米粒子作为一种功能材料，具有良好的过氧化物模拟酶的活性。此外，Fe3O4纳米粒子还具有无*和良好的生物相容性，因而被广泛应用于有害物质去除、光热反应、目标物质分离富集、生物传感分析和工业催化等领域。金纳米粒子（AuNPs）被报道同样具有过氧化物模拟酶活性，且因其良好的生物相容性，易于合成和结合，已在生物传感、生物成像、医学诊断学和治疗学中得到了成功的应用。同时，它是一种非常有效的保护磁性纳米粒子的涂层材料，在表面改性、高催化性能及其独特的生物化合物方面也具有广泛的用途。哈尔滨商业大学食品工程学院的龚德状、关桦楠*和吴巧艳等人采用自组装方法制备出金磁微粒（Fe3O4

Au），见图1。基于Fe3O4

Au模拟过氧化物酶活性，构建出一种针对抗坏血酸的高灵敏度无酶增强型电化学检测方法。Fe3O4

Au模拟过氧化物酶中的Fe3+和Au0可以分别催化H2O2反应产生具有氧化活性的自由基，可进一步催化抗坏血酸在电极表面失电子发生氧化还原反应，进而氧化为脱氢抗坏血酸。该氧化反应过程中电极表面会积累大量电子，增大电流响应，从而可以改善抗坏血酸电化学检测的灵敏度。这种将模拟酶与电化学相结合的检测方法无需修饰电极即可增强整体电化学信号的有效输出。该研究结果将为拓宽纳米材料模拟酶在不同食品电化学检测方法中的应用提供一定的参考依据。

1Fe3O4

Au的表征

图2分别显示了AuNPs、Fe3O4磁性纳米颗粒和Fe3O4

Au复合纳米粒子的透射电镜（TEM）图像。图2a显示了AuNPs大小及分布，平均粒径为3～6nm。图2b所示的Fe3O4磁粉团簇由表面粗糙的分散球组成，Fe3O4团簇的平均直径约为85nm。由图2c可以看出，AuNPs均匀吸附在Fe3O4表面，且与Fe3O4纳米粒子相比，镀金后Fe3O4

Au纳米粒子的粒径增大，约为nm。采用超导量子干涉装置磁强计对Fe3O4磁粉团簇和Fe3O4

Au进行磁滞测量，磁学性质分析表明，在K时，Fe3O4团簇的饱和磁化强度为65emu/g，在AuNPs的作用下，Fe3O4

Au的饱和磁化强度降低到46emu/g。说明AuNPs包覆会导致复合微粒磁化强度的轻微降低，对其超顺磁性性质有轻微的影响。

2Fe3O4

Au模拟酶电化学增强活性验证

采用电化学分析法对Fe3O4

Au复合纳米微粒的模拟酶活性进行验证。由图3可知，在Fe3O4

Au存在条件下，低浓度H2O2不能产生氧化电流峰，说明在裸电极条件下，Fe3O4

Au与低浓度H2O2体系的灵敏度不足以产生电流响应；与此同时，H2O2和Fe3O4

Au却可以分别与抗坏血酸在电位为0.5V左右处产生氧化电流峰，说明两者皆可以与抗坏血酸单独发生氧化还原反应，需要强调的是，Fe3O4

Au是催化溶液中的氧与抗坏血酸发生反应，体现出了过氧化物模拟酶的活性；而当H2O2和Fe3O4

Au同时存在时，体系中出现抗坏血酸，氧化峰电流得到较大提升，说明H2O2和Fe3O4

Au合作可以极大促进抗坏血酸电催化氧化为脱氢抗坏血酸产生明显的电荷转移，进而增强抗坏血酸的检测灵敏度。综上所述，论证了Fe3O4

Au模拟酶起到增强体系电化学信号的作用。同时，也借此推断Fe3O4

Au具有过氧化物模拟酶活性。

3单因素试验设计优化电化学检测抗坏血酸体系

3.1反应温度对电化学检测体系的影响结果显示，反应温度在20～30℃之间，反应速率减小，电极表面的电子转移数目减少，电化学信号减弱，氧化峰电流绝对值呈缓慢下降趋势，30～50℃范围内，随温度升高，Fe3O4

Au模拟酶的催化活性降低导致反应速率减小，电极表面的电子转移数目减少，氧化峰电流绝对值随之降低。反应温度在50～60℃范围内时，氧化峰电流绝对值下降速率开始变缓，这可能是由于温度升高，在一定程度上加快了抗坏血酸的电氧化，增强了电化学响应。鉴于此，选取20、30℃和40℃作为反应温度的不同水平参与正交试验设计优化。

3.2Fe3O4

Au添加量对电化学检测体系的影响

结果显示，电化学检测体系中Fe3O4

Au添加量在0.～0.g范围内，氧化峰电流绝对值平稳上升。添加量在0.～0.g区间内，反应速率略微减小，但氧化峰电流绝对值仍呈稳定上升趋势。当添加量处于0.～0.01g范围内时，反应速率迅速上升，氧化峰电流绝对值随之大幅度增加。而添加量在0.01～0.g范围时，反应速率迅速下降，氧化峰电流绝对值也迅速降低。由此可知，Fe3O4

Au添加量在0.01g时电化学检测效果最优。因此，Fe3O4

Au添加量选取0.、0.01g和0.g参与正交试验设计优化。

3.3扫描速率对电化学检测体系的影响

在考察扫描速率对检测体系影响的过程中，本实验不仅要筛选出合适的水平，还要鉴定其与电流的线性关系。不同扫描速率下抗坏血酸氧化峰电流绝对值随着扫描速率的增加而增加。且氧化峰电流绝对值

ipa

（μA）与扫描速率平方根v1/2（V/s）1/2之间呈良好的线性关系，回归方程为：

ipa

=48.v1/2－0.，R2=0.。这种线性关系表明抗坏血酸的氧化反应为扩散控制，更有利于安培传感，产生更强的电化学信号。抗坏血酸的电催化氧化通过双电子双质子途径进行。实验结果表明，当扫描速率大于0.1V/s时会影响抗坏血酸电化学检测体系的稳定性，不利于氧化电流峰的监测。因此，在正交试验优化选择扫描速率为0.06、0.08V/s和0.1V/s最为适合。

3.4pH值对电化学检测体系的影响

结果显示，检测体系pH5时，氧化峰值电流强度最大。而当电解质溶液pH4时，会有大量的质子，这些质子会覆盖从抗坏血酸释放出来的电子，从而阻碍电子流动。电解质溶液pH值在5～9范围内，介质中均含有大量负离子，不利于电子向电极的流动，电子迁移率逐渐降低。由此可知，检测体系pH值选取5、6、7参与正交试验。

4正交试验设计优化电化学检测体系

通过正交试验设计优化极差分析结果可知，各因素对抗坏血酸电化学检测体系影响的主次顺序为：C＞D＞A＞B，即扫描速率＞pH值＞反应温度＞Fe3O4

Au添加量。根据极差分析可以确定最优方案组合为A3B2C3D3，即反应温度20℃、Fe3O4

Au添加量0.01g、扫描速率0.1V/s、电解液pH5。综合以上分析可知，影响抗坏血酸电化学检测体系的主要因素是扫描速率、反应温度、Fe3O4

Au添加量和pH值对检测体系也有相应影响。由于该检测电极未经修饰，仅用乙醇和超纯水冲洗即可很容易地再生检测系统，具有较高的便捷性和稳定性。以正交结果最优方案对10mmol/L抗坏血酸进行独立的3次平行电化学检测，氧化峰电流绝对值的平均值为14.12μA，相对标准偏差（RSD）为2.08%。表明该电化学检测体系具有良好的精密度。

5抗坏血酸检测体系的电化学响应效果

5.1电化学检测体系的工作曲线、检出限和回收率测定

如图5可知，在1～mmol/L范围内，随着抗坏血酸标准溶液浓度的增加，氧化峰电流绝对值逐渐增大。同时，对不同浓度的抗坏血酸标准溶液作工作曲线，抗坏血酸在1～mmol/L范围内呈良好的线性关系，工作曲线回归方程为y=.81x+3.（R2=0.），其中y代表CV的氧化峰电流绝对值（μA），x代表抗坏血酸的浓度（mmol/L）。根据方程计算检出限（RSN=3）为0.mg/L。在相同电化学检测体系下检测2.5mmol/L和10mmol/L的抗坏血酸标准溶液的氧化峰电流绝对值，根据工作曲线回归方程，评价该催化检测体系回收率分别为92.6%和.8%。将Fe3O4

Au在本研究中检测性能与先前报道的基于其他纳米材料的检测抗坏血酸方法进行比较。结果显示，本研究与其他文献报道检测抗坏血酸方法相比具有相对较低的检出限，说明此基于Fe3O4

Au电化学检测抗坏血酸的方法具有良好的灵敏度。

5.2电化学检测体系抗干扰性能为了评估该电化学检测方法的抗干扰性能，分别将浓度为0.25mol/L的K2SO4、NaCl、蔗糖、乳糖、酪氨酸和甘氨酸加入到电化学检测体系中，选择2.5mmol/L抗坏血酸的体系作为参照进行对比研究。每种添加物的浓度均为抗坏血酸浓度的倍。从图6可以看出，该电化学检测体系对0.25mol/L的K2SO4、NaCl、蔗糖、乳糖、酪氨酸和甘氨酸没有表现出明显的电流响应。然而，2.5mmol/L抗坏血酸具有明显的电流响应。综上所述，该方法对抗坏血酸具有较高的选择性。

6实际样品检测结果

为了探讨构建电化学检测体系在实际样品中的应用，在相同体系下检测含有0.45、0.9g/L和1.8g/L质量浓度抗坏血酸的VC泡腾片溶液的氧化峰电流绝对值，带入工作曲线回归方程，对检测体系进行回收率评价。结果表明，该检测体系回收率分别为95.4%、91.9%和.8%。重复测定3次，RSD分别为3.97%、4.51%和3.18%，说明该电化学检测体系对VC泡腾片具有良好的回收率和精密度。

结论

本实验基于复合纳米模拟酶构建一种无酶电化学传感器，以实现对食品中抗坏血酸含量的高灵敏度和高选择性电化学检测。结果表明，所制备的Fe3O4

Au具有良好的过氧化物模拟酶活性，本研究与其他文献报道的检测方法相比具有相对较低的检出限。另一方面，该电化学检测体系表现出较高的敏感性，对共存分子具有优异的抗干扰能力，且无需对电极进行修饰，可获得良好的稳定性和便捷性。实际样品分析中抗坏血酸的电化学检测性能良好，说明所构建的电化学传感器具有较高的实用性。相关研究结果将为食品中抗坏血酸电化学检测方法的改良积累基础资料。

本文《基于金磁微粒模拟酶电化学增强体系检测抗坏血酸》来源于《食品科学》年41卷16期-页，作者：龚德状，关桦楠，吴巧艳，宋岩，刘博，*，张娜。DOI:10./spkx2---。点击下阅读原文即可查看文章相关信息。

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