摘要：氨基甲酸乙酯（EC）作为一种危险致癌物（2A类），广泛存在于发酵食品中，对公众健康构成潜在的威胁。研究表明，长期接触EC会对生物体造成严重危害，如：肺癌、淋巴瘤、肝癌、皮肤癌等。在此情况下，世界各国政府都高度关注EC的残留污染危害，并制定了EC在各类食品相关基
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*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2024年11月22日江苏。
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氨基甲酸乙酯（EC）作为一种危险致癌物（2A类），广泛存在于发酵食品中，对公众健康构成潜在的威胁。研究表明，长期接触EC会对生物体造成严重危害，如：肺癌、淋巴瘤、肝癌、皮肤癌等。在此情况下，世界各国政府都高度关注EC的残留污染危害，并制定了EC在各类食品相关基质中的最大允许残留阈值。鉴于此，建立高效的EC污染现场预警与追溯分析方法，对于避免EC对食品造成的污染，促进食品相关产业健康发展，保障公众安全具有重要意义。目前，稳定高的类酶活性使人工纳米酶成为设计针对各种食品污染物的多功能现场可视化检测方法的最受欢迎的候选材料之一，它通过分析物触发/抑制的类酶活性来控制活性氧（ROS，如·OH）的水平，进一步引起响应底物的信号变化。分子印迹聚合物（MIP）作为一种比生物识别材料（如抗体和适体）更稳健、多功能、经济且易于制备的靶标识别单元，在食品安全分析中受到了广泛的关注。类似于“一把锁和一把钥匙”，MIP通常是通过特定的目标分子在聚合物基质中形成与其结构匹配的分子印迹腔来实现的，这样目标分子才能被特异性地捕获和识别。通过将分子印迹策略与纳米酶相结合来开发EC响应的三模态现场检测方法尚无报道，这可能是突破目前EC检测瓶颈的新方法。
受上述观点的启发，合肥工业大学沈益忠和北京工商大学黄明泉团队提出了一种新型分子印迹聚合物Co@MOF-MIP，它具有高过氧化物酶(POD)样活性和明亮的蓝色荧光发射，并以此开发一种多功能的可视化检测方法，用于EC的比色、荧光和光热三模态检测和逻辑门信号输出（图1）。
图1.基于Co@MOF-MIP分子印迹纳米酶驱动的多功能现场三模态EC智能检测和逻辑门电路的示意图。
在H2O2存在下，通过催化发色底物TMB研究了Co@MOF-MIP的类POD活性。Co@MOF-MIP未触发TMB在650nm处的吸光度变化，而加入H2O2后，TMB发生了显著的显色反应，从无色变为蓝色，其在650nm处的吸光度显著增强，预示Co@MOF-MIP可能具有很高的类酶催化活性，可产生ROS将TMB氧化为oxTMB。其原因是Co@MOF-MIP内部有丰富的Co2+，可以释放类POD活性，催化H2O2生成·OH。此外，它在40.0°C和pH = 4.0时表现出最大类酶活性。
图2. Co@MOF-MIP 的表征。(A、B) Co@MOF-MIP 的TEM和STEM图像。(C、D、E) Co@MOF-MIP内 Co、C和N的元素映射。(F)去离子水中Co@MOF和Co@MOF-MIP的流体动力学直径。(G)Co@MOF和Co@MOF-MIP的FT-IR光谱。(H) (1) H2O2 + TMB、(2) Co@MOF + H2O2、(3) Co@MOF-MIP + H2O2、(4) Co@MOF + H2O2 + TMB 和 (5) Co@MOF-MIP + H2O2 + TMB 的吸收光谱分别在HAc-NaAc缓冲 (pH = 4.0)中孵育16.0分钟。（I）分别为（1）DMPO、（2）DMPO + Co@MOF-MIP 和（3）DMPO + Co@MOF-MIP + H2O2的EPR光谱。
受Co@MOF-MIP优异的类POD活性的鼓舞，我们进一步探索以开发出一种有效的EC检测方法。考虑到Co@MOF-MIP表面存在EC特异的印迹腔，添加的EC可能会阻止Co@MOF-MIP内部活性位点与H2O2接触，导致类POD反应暂停，·OH产生减少，进一步抑制TMB氧化转化为oxTMB。从而实现EC浓度依赖性的三模式响应，即荧光信号增强、比色和660nm激光辐射光热信号减弱。为了实现对残留EC的定量、可靠的现场视觉检测，提出了一种便携式分析平台，由安装了Color Picker APP的智能手机和配备660nm激光器的手持式热像仪组成，以捕获EC触发的比色、荧光和光热信号变化，并以此获得了EC浓度依赖性的三模式线性方程。
图3. 基于Co@MOF-MIP的便携式三模式分析平台用于现场可视化检测EC。(A) 基于 Co@ MOF-MIP 的便携式三峰分析平台示意图，用于在比色、荧光和光热模式下现场可视化检测 EC。(B) Co@MOF-MIP + H2O2 + TMB 在0.0−400.0 mg/L 之间的 EC 浓度依赖性肉眼比色、365 nm 紫外线灯激发荧光和660 nm (1.5 W/cm2, 150.0 s) 激光照射光热图像。(C) Co@MOF-MIP + H2O2 + TMB 在 0.0−400.0 mg/L 时的 EC 浓度依赖性吸收光谱。(D)在0.0−400.0 mg/L浓度下，365 nm 激发下 Co@ MOF-MIP + H2O2 + TMB 的 EC 浓度依赖性荧光光谱。(E−G) 肉眼比色法、365 nm紫外灯激发荧光和 660 nm（1.5 W/cm2，150.0 s）激光照射光热模式下B/R值与EC浓度的校准曲线。
值得注意的是，这三种信号模式可以转换成逻辑电路输出，以区分不同的信号，以便更好地解释和分析数据，实现现场快速、可靠和智能的EC检测。本研究中的“0”代表无颜色、无荧光、无光热信号，而“1”代表存在它们相应的信号。在Co@MOF-MIP存在下，只有当TMB和H2O2同时存在而没有EC时，比色和光热测定的输出为“1”，荧光测定的输出为“0”，其余条件则相反。为了更直观地显示输出信号，我们将整个进化系统用逻辑树表示。在该逻辑树中，可以更直观、方便地观察到底物的存在和其对应的输出信号以及颜色信息，为复杂食品基质中的EC快速智能预警提供了一种直观、便捷、可靠的逻辑门信息处理模式。
图4. 基于Co@MOF-MIP的布尔逻辑树分析和逻辑门计算，实现现场快速智能三模态可视化EC检测。(A、B) 基于Co@MOF-MIP + TMB + H2O2 的NAND逻辑门，具有比色、荧光和光热信号输出，用于EC检测。(C) 具有三个输入和两个组合物质输出的布尔逻辑树的逻辑电路处理性能。“0”表示不存在相应物质和信号输出，而“1”表示存在相应物质和信号输出。
本研究提供了一种新型的MIP集成纳米酶多模态检测策略，以快速智能的方式扩展了痕量食品污染物的智能检测，为大数据物联网智能监测预警提供了一条有希望的途径，从而保障食品安全。
该研究工作以“A Versatile Visual Molecular Imprinting-Driven Switchable Nanozyme Activity-Based Trimodal Assay and Logic Gate Circuits of Ethyl Carbamate”为题发表在Analytical Chemistry上，合肥工业大学2022级硕士研究生吴国建同学为论文第一作者，合肥工业大学沈益忠副研究员和北京工商大学黄明泉教授为论文共同通讯作者。
来源：富翔科学论
