基于CoFe PBAs/WS2纳米酶的化学发光/光热双模式横向流动免疫分析法用于庆大霉素的快速高灵敏度即时检测

原创

来源：曹璐璐

2024-09-29 16:05:20

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核心提示：本研究利用CoFe PBAs/WS2纳米酶复合物构建了一种基于CL和PT双模式的LFIA传感器,用于快速、高灵敏度的GM现场检测。

引言

作为氨基糖苷类抗生素中最常用的药物之一,庆大霉素(GM)因其固有的耳毒性和肾毒性严重限制了其临床应用。因此,准确检测GM浓度对于其安全使用至关重要。传统的色谱法如高效液相色谱(HPLC)和液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)虽然可靠性高、灵敏度好,但需要专业培训的技术人员操作,存在周转时间长、前处理繁琐、成本较高等缺陷,不适合于现场快速检测。

相比之下,基于免疫层析技术的便携式现场检测(POCT)设备具有操作简单、速度快、成本低等优势,成为当前检测药物浓度的重要手段。然而,传统的金颗粒比色LFIA主要提供定性检测结果,很难实现定量分析。为此,研究人员将化学发光(CL)、光热(PT)等各种新型信号输出策略与LFIA相结合,以期提高灵敏度和准确性。但单一信号输出容易受到干扰,产生误报。相较之下,基于双模式检测的生物传感器能有效避免单一信号输出的局限性,提高检测的准确性和可靠性。

本研究利用CoFe PBAs/WS₂纳米酶复合物构建了一种基于CL和PT双模式的LFIA传感器,用于快速、高灵敏度的GM现场检测。CoFe PBAs/WS₂复合材料不仅具有优异的过氧化物酶模拟活性,还能有效调控CL和PT信号,为高性能POCT提供理想的基础。该双模式LFIA不仅集成了灵敏的实验室分析与便携式现场检测,而且能够有效克服传统LFIA的误报问题,在临床药物浓度检测中展现出广阔的应用前景。

结果与讨论

1. CoFe PBAs/WS₂的表征及催化性能研究

透射电镜(TEM)表征显示,CoFe PBAs/WS₂呈现出片层结构,CoFe PBAs均匀负载在WS₂纳米片上。傅里叶红外(FT-IR)光谱证实了CoFe PBAs/WS₂的成功合成,X射线光电子能谱(XPS)分析进一步验证了其组成。

为评估CoFe PBAs/WS₂的催化性能,作者对其过氧化物酶样活性进行了系统研究。相比于单独的WS₂和CoFe PBAs,CoFe PBAs/WS₂组合表现出更高的催化效率,这归因于WS₂和CoFe PBAs之间的协同作用。通过对酶动力学参数的测定,发现CoFe PBAs/WS₂对H₂O₂和TMB作为底物的亲和力和催化效率均优于单一组分,为后续CL和PT双模式检测奠定了基础。

2. CoFe PBAs/WS₂对CL反应的催化机理

为探究CoFe PBAs/WS₂在CL反应中的催化机理,作者进一步开展了自由基清除实验。结果表明,CoFe PBAs/WS₂能够高效产生·OH、¹O₂等活性氧物种(ROS),从而大幅增强了CL信号。这种ROS产生能力不仅来自于CoFe PBAs中过渡金属Co的催化作用,也与WS₂良好的电子转移性能有关。

综合上述分析,作者推断CoFe PBAs/WS₂通过以下两种机制提高了CL反应效率:(1)CoFe PBAs中的Co离子与H₂O₂发生Fenton反应,产生·OH自由基,进而增强CL信号;(2) WS₂良好的电子转移性能有助于加速电子从H₂O₂向CL试剂的转移,促进CL反应进行。这种协同催化作用使CoFe PBAs/WS₂在CL信号调控方面表现出优异的性能。

3. 双模式LFIA在GM检测中的应用

基于CoFe PBAs/WS₂的优异催化性能,作者构建了一种CL-LFIA和PT-LFIA双模式POCT传感器用于GM的快速检测。该传感器利用竞争免疫层析原理,当样品中含有GM时,GM会与固相的GM-BSA竞争结合CoFe PBAs/WS₂-Ab,从而使T线上的CL或PT信号随GM浓度的增加而减弱。通过对T线的CL和PT信号的检测,能够实现GM的定量分析。

实验结果显示,CL-LFIA和PT-LFIA的检测范围分别为1 pg mL^-1至100 ng mL^-1和50 pg mL^-1至100 ng mL^-1,检测限分别为0.33 pg mL^-1和16.67 pg mL^-1。在复杂基质如牛奶、尿液和血清中添加GM进行回收实验,回收率均在90.94%-109.74%之间,表明该双模式LFIA在实际样品中的可靠性和适用性。与单一检测模式相比,该双模式POCT传感器能够有效校正系统误差,提高检测的准确性和灵敏度,为临床药物浓度监测提供了可靠的分析手段。

结论

本研究成功构建了一种基于CoFe PBAs/WS₂纳米酶的CL-LFIA和PT-LFIA双模式POCT生物传感器,用于快速、高灵敏度检测GM。该复合材料不仅具有优异的过氧化物酶样活性,还能有效调控CL和PT信号。CL-LFIA和PT-LFIA两种模式的检测范围和检测限互补,能够确保高性能的GM检测。与传统单一信号输出相比,该双模式POCT传感器能够有效克服假阳性问题,在提高检测准确性和灵敏度方面展现出广阔的应用前景。该研究为开发基于双模式信号的便携式药物浓度检测平台提供了新的思路。

参考文献

Wu, L.; Zhu, Z.; Xue, J.; Zheng, L.; Liu, H.; Ouyang, H.; Fu, Z.; He, Y., Chemiluminescent/photothermal dual-mode lateral flow immunoassay based on CoFe PBAs/WS₂ nanozyme for rapid and highly sensitive point-of-care testing of gentamicin. Biosens. Bioelectron. 2024, 265, 116711.