一种基于絮凝性铂纳米粒子的双模式比色和光热芯片传感器用于卡那霉素检测

引言

卡那霉素(KAN)是一种广谱氨基糖苷类抗生素,广泛应用于农业、畜牧业和水产养殖中治疗细菌感染。然而,KAN的滥用会导致环境和食品中残留过量,对人体造成耳毒性、肾毒性等危害。因此,建立一种选择性强、快速准确、经济可靠的KAN检测方法非常重要,以确保食品安全和人体健康。

传统的仪器检测方法,如液相色谱-串联质谱、高效液相色谱和高效毛细管电泳,需要昂贵的设备和专业技术人员,不适合现场实时检测。近年来,研究人员报道了基于抗体识别的比色、电化学、荧光和表面增强拉曼散射等KAN检测策略。其中,比色法因操作简单、成本低廉、肉眼可观察而得到广泛关注。然而,抗体存在成本高、贮存条件敏感、批次质量差异大等缺点,降低了重现性。因此,寻找新的高特异性、低成本、高稳定性的KAN识别材料十分必要。

本文采用寡核苷酸类识别分子——核酸适配体。核酸适配体具有亲和力高、识别性能佳、制备简单、稳定性好等优点,可以用于检测各类小分子、蛋白和细胞等。基于铂纳米粒子(PtNPs)固有的过氧化物酶样活性,以及壳聚糖(CS)对其的稳定固定作用,作者构建了一种双模式比色和光热的核酸适配体传感器,用于KAN的选择性检测。

结果与讨论

1. CS/PtNPs的表征

CS在合成过程中不仅作为PtNPs的模板和稳定剂,还在表面提供了正电荷,便于与负电荷的KAN结合适配体(KBA)发生静电相互作用,形成CS/PtNPs/KBA复合物。SEM和TEM表征结果显示,合成的CS/PtNPs尺寸均一,平均直径约35.7 nm。XRD和SAED测试证实了CS/PtNPs的晶体结构。XPS分析进一步表明,CS/PtNPs含有C、O、N、Pt等元素,且成功偶联了KBA。

2. CS/PtNPs的催化活性

作为过氧化物酶样纳米催化剂,CS/PtNPs可快速催化3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)氧化生成蓝色的氧化TMB(TMBox)。研究发现,CS/PtNPs/KBA相比裸CS/PtNPs,对TMB的亲和力提高约2.5倍,催化活性也相应增强。这是因为KBA的修饰增强了CS/PtNPs与TMB的接触,促进了电子转移,放大了CS/PtNPs的催化活性。

进一步研究了pH、温度和离子强度等因素对CS/PtNPs和CS/PtNPs/KBA过氧化物酶样活性的影响。结果表明,pH 4.0和25-30°C条件下,两者表现出最佳的催化性能。此外,CS/PtNPs和CS/PtNPs/KBA在0.1 M乙酸钠缓冲液中催化活性最高。在1个月的储存过程中,CS/PtNPs和CS/PtNPs/KBA保留了约85%和90%的初始催化活性,证明了其优异的稳定性。

3. CS/PtNPs和CS/PtNPs/KBA的动力学性能

通过Michaelis-Menten和Lineweaver-Burk动力学分析,进一步比较了CS/PtNPs、CS/PtNPs/KBA和HRP的催化活性。结果显示,与HRP相比,CS/PtNPs和CS/PtNPs/KBA的TMB和H₂O₂的K_cat值分别高出146倍、109倍和214倍、266倍,K_cat/K_m值分别高出137倍、9.6倍和460倍、21.2倍,表明它们具有出色的催化性能。特别是CS/PtNPs/KBA对TMB的亲和力大幅提高,进一步增强了其催化活性。这说明CS/PtNPs和CS/PtNPs/KBA是替代HRP的理想纳米酶候选。

4. CS/PtNPs的催化机理

许多文献报道了过氧化物酶样纳米酶的催化机理,主要基于从H₂O₂产生·OH自由基,·OH与TMB反应生成蓝色TMBox的过程。本文采用四氢酞酸(TA)作为捕获·OH的探针,证实了CS/PtNPs确实能通过这种机制催化TMB氧化。此外,通过自由基捕获实验进一步阐明了CS/PtNPs催化过程的细节。

结论

综上所述,作者巧妙地利用CS稳定的PtNPs固有的过氧化物酶样活性,并进一步借助KBA的修饰,构建了一种双模式比色和光热的KAN检测芯片传感器。其中,TMBox既作为比色信号,又能转化NIR光能产生热量,两种检测模式相互补充,提高了检测的可靠性。相比免疫分析法,这种无需洗涤的核酸适配体纳米酶策略不仅大幅缩短了检测时间,还维持了高灵敏度。该适配体传感器对KAN的线性检测范围为0.1-50 μM和0.5-50 μM,检出限分别为0.04 μM和0.41 μM,在牛奶样品中也能准确定量KAN含量。这种简单、快速、高灵敏的双模式检测方法为复杂基质中痕量KAN的实时监测提供了新的思路。

参考文献

Lee, H. B.; Son, S. E.; Ha, C. H.; Kim, D. H.; Seong, G. H., Dual-mode colorimetric and photothermal aptasensor for detection of kanamycin using flocculent platinum nanoparticles. Biosens. Bioelectron. 2024, 249, 116007.