Adv Funct Mater：镓-铜双单原子纳米酶的流线型合成及其先进电化学传感平台建构

食品新鲜度的实时、快速、便携式检测对于评估食品质量、保障食品安全至关重要。近年来，肉类作为优质蛋白质的主要来源而需求激增，然而其在加工、储存和销售过程中由于脂质氧化、蛋白质氧化降解以及微生物腐败容易发生质量劣变，造成浪费和资源损失。因此，开发快速、便携、智能的肉类新鲜度精确检测和监测技术，对于减少经济损失、保障公众健康、促进资源高效利用具有深刻的现实意义。

总挥发性盐基氮（TVB-N）是目前公认的评价肉品新鲜度的唯一理化指标，但目前其检测存在过程繁琐，难以满足现场、快速和便携式检测等问题，而肉类腐败时微生物代谢产生的挥发性胺可作为快速、便携、智能化检测技术的有效标志物。传统检测方法受限于大规模设备、高成本、需专业操作等。因此，亟需开发一种快速、便携、简单的可挥发性胺的检测技术。

单原子纳米酶（SAzymes）具有催化活性中心分布均匀、电子结构明确、几何构型精确、光学信号强、易于修饰等优点，在快速、便携和智能传感领域应用前景广阔。研究表明酶的催化性能可以通过调节载体的类型和催化金属中心的数量来进行有效调控。二维层状双氢氧化物（LDHs）由带正电荷的金属氢氧化物层和带负电荷的层间阴离子组成，是一类新型的功能纳米材料。其具有独特的二维层状结构、制备简单、高比表面积和优异的催化活性优点，非常适合作为SAzyme的载体，明显优于碳基和金属有机骨架材料。另外，通过在SAzyme的合成中引入两个金属原子可增强催化性能、稳定性和选择性。

本研究将双金属原子负载到LDHs上，通过双原子的协同作用以及灵活高效催化微环境的构建，克服了单原子催化剂催化活性低、稳定性差、选择性有限和反应范围窄等缺点，有效改善了其催化性能、稳定性和选择性。同时以该材料为基础研制了便携式电化学检测传感器，为快速、便携、智能化检测肉类新鲜度提供了新的平台。

• 材料优化合成：

  （1）双原子负载：通过共沉淀法合成了具有双重单原子催化活性中心的GaCu-LDH纳米酶，利用镓（Ga）和铜（Cu）的协同作用，显著提升了材料的催化性能和稳定性；

  （2）高分散性：采用二维层状双氢氧化物（LDH）作为载体，实现了Ga和Cu单原子的均匀分散，确保了材料的高效催化活性和稳定性。

• 检测性能优异：

  （1）较宽的检测范围（0.05-0.4 mM）、较低的检测限（5.9 μM）和快速响应（4 s）；

  （2）实现了畜禽肉（猪肉、牛肉、羊肉、鸡肉）在常温和冷藏条件下新鲜度的快速、便携、智能检测与监测，与其他方法检测结果相当。

图1. GaCu-LDH电化学传感芯片的制备及实际检测应用。

图2. GaCu-LDH的形貌表征。粒径为100 nm的GaCu-LDH的a）明场图像和b）暗场图像；c）GaCu-LDH的EDS图谱；GaCu-LDH的d）HAADF-STEM、e）TEM和f）选区电子衍射图像；g）Ga 2p、h）Cu 2p和i）Al 2p 的高分辨率XPS曲线。

图3. GaCu-LDH的原子结构分析。a）Ga L吸收边XANES谱的对比图；b）Cu K吸收边XANES光谱的对比图；c）在k²加权R空间中的Ga L边EXAFS数据的对比图；d）在k²加权R空间中的Cu K边EXAFS数据的对比图；e）样品的 Ga L 边 EXAFS数据（点）和拟合（线）（ k² 加权 R 空间）；f）样品的 Cu K 边 EXAFS数据（点）和拟合（线）（以 k² 加权 R 空间）；g）Ga和h）Cu的小波变换图。

图4. GaCu-LDH、Ga-LDH、Cu-LDH和LDH的类酶催化性质。a）0.015 g/L GaCu-LDH、Ga-LDH、Cu-LDH和LDH分别催化2.0 mM TMB和0.5 M H₂O₂的类POD酶的反应-时间曲线；b）0.015 g/L GaCu-LDH、Ga-LDH、Cu-LDH和LDH分别催化0.5 M H₂O₂的类CAT酶的反应-时间曲线；c）0.015g/L GaCu-LDH、Ga-LDH、Cu-LDH和LDH分别催化2.0 mM TMB的类OXD酶的反应-时间曲线；d）由0.015g/L GaCu-LDH、Ga-LDH、Cu-LDH和LDH分别催化0.9 mM t-Bu-OOH的类GPx酶的反应-时间曲线；e）类POD、OXD、CAT和GPx催化活性的比较；f）类POD酶催化体系中·OH中间体的检测。

图5. a）GaCu-LDH、b）Ga-LDH、c）Cu-LDH和d）LDH在饱和吸附前、后的原位FTIR光谱，以及在25 ℃加热至375 ℃期间氨解吸演变图。

图6. GaCu-LDH识别挥发性胺的机制。a）氨的分子式；b）氨（Am）、c）色氨酸（Trp）、d）苯丙氨酸（Phe）、e）尸胺（Cad）和f）腐胺（Put）吸附的GaCu-LDH的电子密度差（Δρ）；g）氨吸附的GaCu-LDH体系中电子转移示意图。[Am]、o-GaCu-LDH和N41-H40分别是指氨中N─H键断裂后的原子电子、GaCu-LDH金属-外围氧原子电子和GaCu-LDH吸附氨后的键合电子。Δρ定义为Δρ =ρ − ρ(Ad) − ρ(GaCu-LDH)，其中ρ、ρ(Ad)和ρ(GaCu-LDH)分别代表吸附的GaCu-LDH构型中的电子密度、吸附物种的电子密度和GaCu-LDH本身的电子密度。电子密度的等值线被设定为0.01 e Å⁻³。黄色和青色区域分别表示电子积累和耗尽。Cu和Ga最终失去电子（分别为0.6987和0.0626 e），而N41-H40获得电子（0.8674 e）。

图7. GaCu-LDH电化学传感芯片识别氨的机理。GaCu-LDH电化学传感芯片在与氨反应之前的a）实验示意图、b）表面形貌和c）KPFM映射；GaCu-LDH电化学传感芯片在与氨反应后的d）实验示意图、e）表面形貌和f）KPFM映射；GaCu-LDH电化学传感芯片在与氨分析物相互作用g）之前和h）之后的功函数。

图8. GaCu-LDH电化学传感芯片对氨的电催化响应。a）电化学传感芯片的物理原理图；b）GaCu-LDH电化学传感芯片上氨的I-t曲线；c）GaCu-LDH电化学传感芯片对氨的选择性；d）电流相对于氨浓度的变化；e）氨检测的线性曲线（LOD = 3 σ/k，其中σ表示20个空白样品测定结果的标准误差，k是线性拟合方程的斜率）。

图9. 样品新鲜度的实际检测。猪肉、牛肉、羊肉和鸡肉在a）25 ℃和d）4 ℃下电流与储存时间的关系；猪肉、牛肉、羊肉和鸡肉在b）25 ℃和e）4 ℃下挥发性盐基氮含量（TVB-N）与储存时间的关系；猪肉、牛肉、羊肉和鸡肉在c）25 ℃和f）4 ℃下电流与TVB-N含量的关系。

本研究以二维LDH为载体、通过共沉淀法成功合成了一种镓铜双金属负载的单原子纳米酶酶GaCu-LDH （Ga：1.31 wt%，Cu：4.07 wt%）。该纳米酶具有多种酶模拟活性，包括类POD、类OXD、类CAT和类GPx酶活性。Ga和Cu金属原子的引入克服了SAzymes的局限性（催化活性低、稳定性差、应用受限），同时赋予LDH结构优异的类酶催化性能，从而提高了材料的整体性能。Ga和Cu之间的协同作用促进了材料表面更快的电子转移，主要通过形成Cu─N键来加强其与挥发性胺的相互作用，以用于识别和传感。在此基础上，利用GaCu-LDH研制了一种快速便携的挥发性胺电化学传感平台，其线性检测范围为0.05 ~ 0.4 mM，检测限为5.9 μM，响应时间为4 s。此外，传感器在室温下储存时，可重复使用至少4个周期，并保持长达1周的稳定性能。在实际应用中，GaCu-LDH电化学传感平台实现了对25 ℃和4 ℃下储存的猪肉、牛肉、羊肉和鸡肉的快速便携检测，结果与标准方法相当，表明其可靠性和准确性。该检测方法在实际生产监控中具有广泛的应用潜力，并为肉类新鲜度现场快速检测提供了良好的实用方案。

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