用于实时监测采后生菜中过氧化氢含量的双信号MOF纳米酶微针贴片

《Biosensors and Bioelectronics》：Dual-Signal MOF Nanozyme Microneedle Patch for On-Site Monitoring of Hydrogen Peroxide in Postharvest Lettuce

　　

季安琪|陆欣怡|杜卓琳|张艺青|谢静|丁朝阳

中国上海201306，上海海洋大学食品科学与技术学院

摘要

实时监测植物组织中的H₂O₂含量有助于评估采后储存期间的氧化变化，但由于大多数检测方法仍需破坏组织并使用实验室仪器，因此难以在蔬菜上直接进行现场检测。在本研究中，通过将聚多巴胺包覆的Fe/Zr-MOF纳米酶（PDA@Fe/Zr-MOF）整合到明胶/海藻酸钠微针贴片中，开发出一种双信号微针生物传感器，用于检测生菜中的H₂O₂。聚多巴胺涂层通过产生•OH提升了Fe/Zr-MOF的过氧化物酶样活性，同时还在808纳米近红外光照射下促进了光热转换。微针与生菜叶片接触后，可提取细胞间液，使H₂O₂引发TMB氧化，进而通过比色成像和热成像两种方式检测该反应。这两种检测方式并非独立的识别机制，但能相互补充，降低样本颜色和环境波动的影响。该传感器的比色模式检测限为0.42 μM，光热模式则为0.34 μM。在4°C下储存15天后，该传感器能够追踪生菜中H₂O₂的积累情况，并与腐烂程度呈现明显关联。这些结果表明，基于PDA@Fe/Zr-MOF的微针传感技术是监测采后蔬菜氧化新鲜度变化的可行方法。

引言

活性氧物种与植物的应激反应及采后代谢密切相关（Ali等人，2025）。蔬菜从母株上采下后，机械损伤和储存压力会打破ROS的平衡，导致氧化恶化（Wei等人，2025）。在各类ROS中，H₂O₂稳定性较高，可在组织中扩散，因此可作为监测储存期间氧化变化的有效指标。适度升高的H₂O₂可能参与防御信号传导，而过量积累则会导致膜损伤、酶促褐变以及品质下降（Tong等人，2025；Torun和Uluisik，2022）。因此，监测蔬菜组织中的H₂O₂含量可为评估采后新鲜度和氧化腐烂程度提供重要依据。

传统的H₂O₂检测方法虽能给出可靠的定量结果，但通常需要破坏性提取、多种预处理步骤以及实验室仪器（Wang等人，2019；Xing等人，2022），这限制了其在完整植物组织快速检测中的应用。纳米酶则提供了一种实用替代方案，因其兼具类似酶的活性、较好的稳定性以及可控的材料结构（Cheng等人，2024；Wang和Gunasekaran，2020）。金属有机框架尤其适合用于纳米酶的设计，因其较高的布伦瑙尔-埃米特-特勒比表面积可提供丰富的催化位点（Zhang等人，2025），同时其金属节点、有机连接剂和孔结构还可经过调控，以实现催化、光热或界面功能（Ji等人，2025；Rezki等人，2026）。

具有过氧化物酶样活性的MOF纳米酶可催化H₂O₂介导的TMB氧化反应，从而产生可见的颜色变化，用于检测H₂O₂。然而，单一的比色信号可能会受到环境光线、相机设置以及植物样本背景颜色的影响（Lei等人，2024；Yang等人，2026）。采用双信号策略可提高检测结果的可靠性（Fu等人，2025）。在基于TMB的检测方法中，H₂O₂存在时生成的oxTMB会在近红外区域吸收光，并将808纳米的光能转化为热能，从而产生与比色信号相结合的光热响应（Liang等人，2022；Wang等人，2024）。此外，聚多巴胺在808纳米光照射下也具有光热转换能力（Lv等人，2025）。因此，比色信号和光热信号虽然都源于相同的H₂O₂引发的TMB氧化过程，但却受不同外部因素的影响。将二者结合使用，可起到内部一致性验证的作用，而非两种完全独立的检测途径。

实现现场植物检测还需具备高效的组织接触功能（Bao等人，2024）。微针能够以最小程度的破坏穿透植物表皮屏障，形成临时微通道用于采集细胞间液（Li等人，2024）。通过将纳米酶介导的信号转导与微针辅助采样相结合，即可采集生菜细胞间液中的H₂O₂，并将其转化为贴片上的比色/光热信号（Singh等人，2025）。

基于以上考虑，本研究开发了一种微针辅助的双信号平台，用于采后生菜的现场H₂O₂监测。这种集成设计非常重要，因为传感材料、信号转导机制和采样接口都集中在同一平台上，无需对组织进行大量提取，即可采集生菜组织内产生的H₂O₂并将其转化为可读取的信号。该技术的创新之处在于将经聚多巴胺增强的Fe/Zr-MOF纳米酶活性、比色/光热信号转导功能以及微针辅助的原位采样功能整合到同一贴片中。PDA@Fe/Zr-MOF和TMB被加入明胶/海藻酸钠微针贴片中，以实现细胞间液采集和贴片上信号的生成。该平台被应用于4°C下储存的生菜，用于检测H₂O₂的积累情况及其与采后品质变化之间的关系。

章节节选

材料

所有试剂均为分析级，按原样使用。主要的MOF前体、TMB、自由基探针/清除剂、与H₂O₂相关的试剂以及代表性干扰物均购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。海藻酸钠、明胶和甘油则购自上海麦克林生化有限公司（中国上海）。新鲜的生菜样本采集自中国上海浦东地区，随后被运送到实验室并储存在4°C条件下

PDA@Fe/Zr-MOF的设计与表征

PDA@Fe/Zr-MOF的制备过程如图1A所示。Fe/Zr-MOF呈现出规则的八面体形态，边缘清晰，属于UiO-66-NH2型骨架结构（图1B–E）（Liu等人，2023）。经过聚多巴胺修饰后，PDA@Fe/Zr-MOF仍保持八面体结构，但表面变得更为粗糙，且形成一层薄薄的无定形包覆层（图1G–J），这表明表面包覆成功，且骨架结构没有出现明显崩塌。EDS元素分布分析证实C、N、O、Fe等元素在材料中分布均匀，

结论

本研究开发了一种基于PDA@Fe/Zr-MOF的微针生物传感器，可实现采后生菜中H₂O₂的双模式检测。聚多巴胺涂层不仅增强了Fe/Zr-MOF的过氧化物酶样活性，还有助于光热转换，而微针贴片则为细胞间液采样提供了低破坏性的接触界面。通过结合比色成像和便携式热成像技术，该传感器能够为H₂O₂分析提供相互支撑的两种检测结果。在4°C下储存15天期间，

CRediT作者贡献说明

丁朝阳：撰写——审阅与编辑，监督，方法学，资金获取，概念构思。张艺青：实验研究，数据整理。谢静：监督，项目管理，方法学。陆欣怡：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，数据整理。杜卓琳：方法学，数据整理。季安琪：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，数据整理

未引用参考文献

Zhang等人，2024年。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了上海绿叶蔬菜产业技术体系项目的资助。在此，衷心感谢Bakhtawar Shafique在润色本论文英文版本方面给予的宝贵帮助。