一石四鸟:聚集体诱导排放型沸石咪唑酸骨架-8仿生纳米反应器用于环境水和猪尿中喹啉的便携式智能手机检测

引言

环境保护与人类社会的可持续发展密切相关。作为奎诺沙唑的代表性化合物,奥拉喹酮(OLA)因其强大的抗菌作用和改善蛋白质利用率的能力而广泛应用于畜牧业和水产养殖。然而,OLA的滥用会导致其在环境中累积,引发致命毒性、副作用和耐药性,这与"One Health"理论不谐。尽管已经报道了各种OLA检测方法,如高效液相色谱(HPLC)、液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)、酶联免疫吸附试验(ELISA)和电化学传感,但这些方法普及受到昂贵分析设备、专业操作人员、极长的运行时间和复杂材料合成等因素的限制。

基于智能手机的快速定量检测和定位已成为分析化学领域的新趋势,但其局限于同时建立不超过三种检测模式,限制了其在不同检测条件下的适应性。金属有机骨架(MOFs)因其独特的性质而引起人们广泛关注,并广泛应用于样品富集、生物传感器、抗菌和自组装检测纳米反应器等领域。其中,沸石亚咪唑骨架(ZIFs)展现了出色的蛋白质包埋性能,可在水中组装并提高热稳定性和pH稳定性,特别适用于抗体(Abs)和酶的固定化。然而,以MOFs检测OLA的现有研究仍面临合成复杂、不适合现场检测等挑战。此外,现有文献主要关注单一模式的催化和发光,缺乏基于ZIF-8的智能多模式OLA检测方法的报道。

为实现在各种条件下快速精确检测OLA,本研究采用绿色自组装合成方法制备了一种纳米反应器。该纳米反应器不仅可通过肉眼观察定性检测,还可利用智能手机进行光学、热信号和电化学分析,形成四种检测模式。与传统方法相比,该方法检出限提高了17倍,线性范围为0.25-5 μg/L,在环境水和猪尿中的回收率为85.2%-112.9%。这种高性能纳米反应器为构建多功能生物传感器并监测有害物质开辟了新的途径。

结果与讨论

1. 纳米反应器的合成与表征

通过一锅法水相自组装制备了Enzymes/AuNCs/Ab@ZIF-8纳米反应器。透射电子显微镜(TEM)图像显示,AuNCs的直径约为2 nm。纳米反应器呈良好的六角形态,平均直径为153.2 nm。能量色散X射线光谱(EDS)证实了Zn、Fe和Au等元素在纳米颗粒中的均匀分布,表明ZIF-8骨架已形成并包裹了AuNCs和蛋白质。X射线衍射(XRD)谱图与模拟的ZIF-8模式吻合,说明Enzymes/AuNCs/Ab@ZIF-8的包裹不会影响ZIF-8的晶体生长。X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)进一步确认了蛋白质的成功固定。综上所述,Enzymes/AuNCs/Ab@ZIF-8纳米反应器已成功制备。

Enzymes/AuNCs/Ab@ZIF-8表现出强烈的橙色光致发光(PL),发射峰位于605 nm,斯托克斯位移超过200 nm,固体纳米反应器的量子产率达12.08%。这得益于AuNCs表面Au(I)-巯基配合物的聚集诱导发光以及ZIF-8笼型结构限制了内部分子运动。此外,该纳米反应器展现出优异的催化TMB氧化的着色性能和诱导葡萄糖生成的光热效应。总之,在温和条件下的水相自组装对于保护蛋白质活性至关重要。

2. OLA四种检测模式的条件优化

系统优化和篮选了四种信号检测的关键反应条件。首先,通过调节纳米反应器用量(2-12 μL),发现10 μL能够使C线和T线上的信号达到最佳分布。其次,通过抑制率分析,确定OLA-BSA在T线上的最佳用量为1.2 μL/cm,可满足肉眼判断并保持良好的视觉检出限(vLOD)。加入显色液后,纳米反应器的高效催化导致C线和T线迅速变蓝,但5 min后背景值过高,因此选择4 min作为最佳可视化时间。此外,37 ℃下40 min孵育可使INV高效催化葡萄糖,而且HRP在37 ℃下也能持续催化TMB。总之,为实现便携性,我们优化了探针用量、抗原负荷、颜色发展时间以及温和的反应条件。

3. 基于LFIA的光学信号灵敏度

通过竞争式LFIA可生成OLA的荧光信号和可见光信号,并由智能手机采集。将不同OLA浓度(0.025-5 μg/L)添加到空白猪尿和环境水中,结果显示,随OLA浓度增加,T线荧光信号逐渐减弱,最终完全消失。在猪尿中,vLOD为2.5 μg/L;在水中,vLOD为1.25 μg/L。为减少环境干扰,作者设计了一个便携式多功能快速检测装置(黑匣子)。

采用图像分析软件对T/C线的RGB值进行量化评估。结果表明,T线和C线的B值随OLA浓度的增加而增加,呈良好的线性关系(R²=0.987和0.985)。据此,在智能手机上可实现0.25-5 μg/L OLA的定量检测,最低检出限仅为0.147 μg/L(猪尿)和0.074 μg/L(环境水)。与传统方法相比,本方法的检出限提高了17倍。此外,基于热信号和电化学信号的两种检测模式也可实现OLA的定量检测。热信号检测的线性范围为0.25-5 μg/L,R²=0.983;电化学信号检测的线性范围为0.25-5 μg/L,R²=0.978。上述四种检测模式互补,在不同检测情况下为用户提供多样化的现场检测选择。

结论

本研究成功制备了一种新颖的Enzymes/AuNCs/Ab@ZIF-8纳米反应器,实现了OLA在环境水和猪尿样品中的四种智能手机检测模式。该纳米反应器不仅具有出色的光学、热和电化学性能,而且合成过程绿色简单,有利于蛋白质活性的保护。四种检测模式相互补充,涵盖了多种检测场景,为监测各类环境有害物质提供了新的思路。该成果为构建多功能生物传感器开辟新的途径,在环境监测领域具有广阔的应用前景。

参考文献

Zhang, S.; Xiong, J.; Wang, S.; Li, Z.; Qin, L.; Sun, B.; Wang, Z.; Liu, X.; Zheng, Y.; Jiang, H., Four birds with one stone: Aggregation-induced emission-type zeolitic imidazolate framework-8 based bionic nanoreactor for portable detection of olaquindox in environmental water and swine urine by smartphone. J. Hazard. Mater. 2024, 469, 134068.