《食品科学》：长沙理工大学陈茂龙副教授：基于UiO-66-NH2与适配体之间荧光共振能量转移检测大米中的镉离子

现代工业的迅速发展，引发了一系列的环境问题，其中重金属镉污染具有隐蔽性、长期性和累积性等特性，毒害效应短期难以察觉，但是通过食物链累积，即使浓度很低，它也能导致人体各种健康问题。水稻、小麦等粮食作物对镉有一定的富集能力，其中水稻更容易富集镉，对食用者的身体健康产生较严重危害。Cd2＋常用的传统检测方法有原子光谱法、电感耦合等离子体质谱法、冷蒸汽原子荧光光谱法和阳极溶出伏安法等，这些都是非常灵敏有效的检测方法，但价格昂贵且速度慢。荧光生物传感器由于其方便快捷、灵敏度高、选择性好等优点，引起了科学家的极大兴趣。

长沙理工大学食品与生物工程学院的程静、齐珍丽、陈茂龙*等人将MOFs中水稳定分散的UiO-66-NH2作为荧光猝灭剂，利用其较大的比表面积和孔隙率，通过荧光共振能量转移猝灭荧光标记的适配体，再利用Cd2＋与适配体的特异性相互作用，恢复荧光，以此构建一款Cd2＋荧光传感器。此方法构建的Cd2＋荧光生物传感器具有简便易行、灵敏度较高、特异性强的优点。

1 材料的筛选

首先选择3 种不同金属中心构成的MOFs，通过测定UiO-66-NH 2 、MIL-101（Cr）、ZIF-8三款材料的粒径和电荷性质。如图2所示，最终选择粒径适宜、带正电荷数值更大的UiO-66-NH 2 开展后续检测研究。

2 材料的结构表征

通过红外光谱（图3a）可以确定金属与配体已经完全配位，对比已报道的文献，—NH 2 特征振动峰群出现在3471 cm -1 和3350 cm -1 ，在1656、1579 cm -1 显示羧基与Zr的配位，说明UiO-66-NH 2 材料的合成成功。如图3b所示，考察UiO-66-NH 2 的孔径大小和BET比表面积（约为513 m ² /g）。为观察UiO-66-NH 2 的形貌，通过扫描电镜对样品进行观察（图3c）表明，UiO-66-NH 2 具有较好的八面体结构，结合PXRD图可以说明UiO-66-NH 2 的成功合成。UiO-66-NH 2 单晶模拟的PXRD峰形与实际合成的PXRD峰形（图3d），主要的衍射峰位置都保持一致且较尖锐，表明材料合成成功且结晶性好。

3 传感体系的构建

由于6-FAM标记的荧光适配体带负电荷，为验证适配体成功吸附在UiO-66-NH 2 上，通过测定混合体系以及UiO-66-NH 2 的粒径和电位变化（图4），发现UiO-66-NH 2 与适配体在缓冲溶液中结合后，适配体的负电荷会与UiO-66-NH 2 的正电荷相互抵消，电位从8.56 mV降低至1.01 mV，粒径从332 nm增加至377 nm。水合粒径增大及电位变小说明适配体已经成功吸附至UiO-66-NH 2 上，表明UiO-66-NH 2 /适配体传感体系构建成功。

4 检测条件的优化

在利用荧光标记适配体与UiO-66-NH 2 构建传感器时，根据其实验原理，发现UiO-66-NH 2 浓度、适配体浓度、盐浓度等对荧光强度都有较大的影响。因此对反应条件进行优化，以确定获得最佳检测性能。主要包括适配体浓度、UiO-66-NH 2 质量浓度、盐浓度、孵育温度与时间。

适配体浓度的优化

因此本研究测定100、200、300 nmol/L和400 nmol/L浓度下适配体的荧光强度，如图5所示，随着浓度的增加，荧光强度也随之增强。虽然荧光强度越高，越符合检测条件，但是过高的荧光则会减弱低浓度Cd 2＋ 的荧光恢复水平，且需要用的适配体量就会随之增大，成本就会增加。因此，选择200 nmol/L作为适配体最终浓度。

UiO-66-NH2质量浓度的优化

如图6所示，UiO-66-NH 2 质量浓度越大，猝灭荧光适配体的效果越强。因此可以确定在518 nm波长处荧光基本消失时为最适UiO-66-NH 2 质量浓度，所以选择0.2 mg/mL为UiO-66-NH 2 最终质量浓度。

NaCl浓度的优化

本实验研究传感体系中的离子强度与荧光强度之间的关系。如图7所示，传感体系的荧光强度在100 mmol/L时出现最高值。随着NaCl浓度的增加，荧光强度下降，说明Na ＋ 浓度过高会阻碍Cd 2＋ 与适配体的结合，不利于荧光的恢复。因此，选择含有100 mmol/L的NaCl Tris-HCl开展后续实验。

孵育温度的优化

如图8所示，考察在4、15、25 ℃和37 ℃条件下的荧光恢复强度，发现在25 ℃的荧光恢复最好，4 ℃荧光强度恢复最差。主要原因在于25 ℃适配体与目标物Cd 2＋ 的结合效果最好，这区别于已经报道的相关文献，可能原因在于UiO-66-NH 2 本身具有一定的孔径和吸附能力，温度越高，吸附能力越强。因此选择25 ℃作为最后的孵育温度。

孵育时间的优化

如图9所示，荧光强度随着孵育时间10～100 min的增加而增强，然后100～120 min趋于平稳。结果表明100 min作为最终孵育时间，荧光恢复效果最好。

5 传感体系对Cd2＋检测的性能分析

式中：Y为518 nm波长处的荧光强度；X为Cd 2＋ 浓度；S b 为测定20 次空白实验后的方差；K为式（1）中斜率；LOD为检出限，计算得为0.107 nmol/L。由于重金属Cd 2＋ 的特性与严重危害力，与其他生物小分子相比，Cd 2＋ 与适配体结合的作用力相对更弱。对比已经报道的荧光传感器，线性范围较大，检出限较低，具有一定的优势（表1）。

6 金属离子检测特异性分析

由于实际检测中往往是多种金属离子共同存在，对于离子探测材料来说，其探测的抗干扰性也会受到影响，为了排除其他离子对检测的影响，本实验考察在其他金属离子作用下，传感体系的选择能力。如图11所示，在Al 3＋ 、Ca 2＋ 、Co 2＋ 、Cu 2＋ 、Fe 2＋ 、K ＋ 、Mg 2＋ 、Na ＋ 、Ni 2＋ 、Pb 2＋ 、Zn 2＋ 和Fe 3＋ 存在的情况下，传感体系的荧光基本无变化，表明该传感体系对Cd 2＋ 具有较好的选择特异性。

7 实际样品中Cd2＋的检测

为验证本研究方法的实用性，通过对自来水和大米样品中分别添加50 nmol/L和500 nmol/L的Cd 2＋ 标准溶液，进行加标回收实验，通过计算统计得到的结果如表2所示。大米样品中加标回收率略高于水样，可能是由于实际的样品中大米中的Cd 2＋ 不仅存在于表面也存在于大米颗粒内部。加标回收率在91.14%～107.98%之间。结果证明，本研究构建的荧光传感器可以用作实际样品中Cd 2＋ 的检测。

结 论

本实验利用UiO-66-NH2材料与Cd2＋适配体构建了一款Cd2＋荧光生物传感器，最优条件下，在0.01～10 μmol/L范围内，传感体系的荧光强度与Cd2＋浓度呈良好的线性关系；该生物传感器对Cd2＋具有良好的选择特异性，并能对实际样品水和大米中的Cd2＋有较好的检出能力。本方法较经济、简便易行，为重金属Cd2＋的检测提供了新方法。更重要的意义在于通过更换适配体序列即可方便构建出其他重金属离子的检测方法，值得扩展研究。

本文《基于UiO-66-NH2与适配体之间荧光共振能量转移检测大米中的镉离子》来源于《食品科学》2023年44卷第20期380-386页，作者：程 静，齐珍丽，许宙，丁利，程云辉，陈茂龙。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221003-021。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：渤海大学食品科学与工程学院 王雨婷 ；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。

为进一步促进未来食品科学的发展，全面践行“大食物观”的指导思想，持续提升食品科技创新和战略安全。由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，北京工商大学食品与健康学院、北京联合大学生物化学工程学院、河北农业大学食品科技学院、西华大学食品与生物工程学院、大连民族大学生命科学学院、齐齐哈尔大学食品与生物工程学院、河北科技大学食品与生物学院共同主办，北京盈盛恒泰科技有限责任公司、古井集团等企业赞助的“第一届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于 2024年5月16-17日 在 中国北京 召开。

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