基于自比值光学双模检测的便携式水凝胶试剂盒用于现场硝酸盐筛查

引言

准确的现场硝酸盐检测在复杂基质中仍然是一个重大挑战。传统的色谱、毛细管电泳和电化学方法虽然灵敏度高,但面临着干扰大、成本高和难以实现现场检测等问题,限制了其更广泛的应用。相比之下,荧光法由于其高灵敏度、低成本和操作简单等优点而广泛应用于硝酸盐检测。特别是基于比值荧光检测的传感平台,可以通过内部校准参考信号来提高检测的准确性和灵敏度。

稀土掺杂上转换纳米颗粒(UCNPs)由于其独特的多色发光特性、低背景自发荧光和抗光漂白性能,被认为是比值荧光探针的理想选择。但现有的稀土比值荧光探针通常采用混合掺杂结构,如NaYF₄@NaYF₄:Er³⁺/Yb³⁺@NaYF₄,其中红绿光发射均来自Er³⁺离子,易受发光信号相互干扰而影响检测准确性。

另一方面,在基于荧光或比色法的硝酸盐分析中,氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺(oxTMB)介导的二氮化反应通常起主导作用。天然酶如过氧化物酶(HRP)可驱动oxTMB的颜色变化,但其稳定性和成本问题限制了进一步发展。相比之下,纳米酶作为酶模拟物具有成本低、稳定性好、可调催化活性和易大规模制备等优势,被认为是替代天然酶的理想选择。目前,大部分纳米酶研究集中在Fe和Co基体上,Pt基纳米酶的探索还很有限。

因此,本工作开发了一种基于自比值光学双模水凝胶生物传感器的硝酸盐检测平台。该平台采用具有多色发光特性的Er:Tm@Yb:Tm探针和具有出色氧化酶活性的Pt/碳氮复合物(Pt/CN)纳米酶共同嵌入到藻酸钠(SA)水凝胶中,并结合智能手机辅助检测。Pt/CN催化TMB氧化生成oxTMB,硝酸盐诱导oxTMB二氮化,有效耦合Er:Tm@Yb:Tm发光,从而实现基于荧光信号比值变化的高灵敏度硝酸盐检测。

结果与讨论

1. Er:Tm@Yb:Tm纳米材料的制备与表征

通过控制核壳结构和组成,设计了具有三种不同发光颜色的Er:Tm@Yb:Tm上转换纳米颗粒。在980 nm近红外激发下,NaErF₄:0.5%Tm核(C)发射红光,NaYbF₄:0.5%Tm壳层(S2)发射蓝光,少量的Er³⁺和Yb³⁺扩散到S1壳层形成微弱的绿光发射。这种独特的多色发光特性避免了传统混合掺杂结构中发光信号的相互干扰。表征结果显示,Er:Tm@Yb:Tm呈典型的核-多壳结构,粒径为130 ± 4.4 nm。电子能量损失光谱(EELS)进一步证实了F、Er、Tm、Y和Yb元素的存在,验证了其核-多壳结构。此外,Er:Tm@Yb:Tm具有良好的荧光稳定性,为生物检测应用奠定了基础。

2. Pt/CN的表征和氧化酶活性

Pt/CN通过在高温下热解Pt(acac)₂@ZIF-8复合物制备而成。表征结果表明,Pt(acac)₂的引入并未影响ZIF-8的晶化过程,Pt/CN仍保持ZIF-8特有的菱形十二面体结构。EDS元素映射分析证实了Pt、N和C元素在Pt/CN中的均匀分布。XRD和拉曼光谱进一步验证了Pt/CN中含有石墨化结构。XPS分析表明,Pt/CN中存在Pt²⁺、羟基C和含N官能团,有利于电子转移从而提高其催化性能。

通过比色基质TMB、ABTS和OPD评估Pt/CN的氧化酶样活性,结果表明Pt/CN具有良好的氧化酶样催化活性。动力学研究发现,Pt/CN的米氏常数Km为0.0844 mM,优于大部分报道的其他氧化酶样酶。此外,Pt/CN在较宽的pH范围(2.0-9.0)和温度范围(4-50 ̊℃)内保持较高的催化活性,并且在30天内保持较好的稳定性,表明其在生物传感器应用中的潜力。

3. 光学双模检测平台的构建与性能

Pt/CN可催化无色TMB转化为蓝色oxTMB,其特征吸收峰与Er:Tm@Yb:Tm的红光发射有效耦合,导致红光发射猝灭。而硝酸盐诱导的oxTMB二氮化反应增强了448 nm处的吸收,从而引起蓝光发射猝灭和红光发射恢复。基于这种信号变化,成功实现了对硝酸盐的敏感检测。进一步探索了UCNPs基荧光生物传感平台的可行性,结果表明该双模平台具有出色的硝酸盐响应特性,荧光比值(F₄₄₈/F₆₅₂)与硝酸盐浓度([NO²⁻])呈良好的线性关系,检出限达0.2 μM,远低于食品安全标准中允许的20 mg/kg限值,满足高灵敏度硝酸盐检测的需求。

4. 用于现场硝酸盐检测的便携式水凝胶试剂盒

水凝胶作为一种便携式即时诊断设备,具有可移植性、低成本和易操作等优点,非常适合用于现场硝酸盐检测。本工作通过将Er:Tm@Yb:Tm和Pt/CN共同嵌入到藻酸钠(SA)水凝胶中,构建了一种便携式水凝胶荧光传感平台。SA水凝胶具有良好的生物相容性,可以有效响应物理化学刺激。该水凝胶试剂盒采用智能手机辅助检测,通过图像处理算法分析水凝胶的硝酸盐响应信号变化,检出限达0.63 μM,优于传统检测方法的性能。

结论

该便携式水凝胶套件结合自比值光学双模检测、高灵敏度和现场便携性等优势,为实现硝酸盐的可靠、准确和快速检测提供了一种新颖的解决方案,在食品安全和人体健康检测等领域具有广泛应用前景。

参考文献

Zhao, X.; Lu, Y.; Wu, J.; Yang, Y.; Li, B.; Li, H.; Sun, Y.; Yan, X.; Liu, X.; Lu, G., Construction of portable hydrogel kits with self-ratio optical bimodal detection and smartphone imaging for on-site nitrite screening. Biosens. Bioelectron. 2024, 263, 116622.