MXene/Gold纳米异质结构过氧化氢酶模拟物在青霉素G比色检测中的应用

引言

抗生素的发现和应用是医学历史上的伟大成就之一。然而，在养殖业中过度使用抗生素导致动物产品中残留大量抗生素,这给人体健康带来严重威胁。青霉素G(PenG)作为一种常用广谱抗生素,广泛应用于预防和治疗家畜细菌感染。但是,过量摄入PenG污染的动物产品会引起过敏反应、肾功能损害等健康问题。因此,建立快速灵敏的PenG检测方法具有重要意义。

现有的PenG检测方法包括高效液相色谱(HPLC)、表面增强拉曼光谱(SERS)、荧光免疫分析等。这些方法通常需要复杂的仪器设备和繁琐的样品预处理,不利于现场快速检测。因此,开发简单、快速、便携且性能优良的PenG检测系统具有广阔的应用前景。

近年来,纳米酶广泛应用于各领域,展现出独特的催化活性。其中,钛碳化物纳米片(MXene, Ti₃C₂T_x)因其机械强度高、光电性能优良、比表面积大等特点引起广泛关注。通过酸刻蚀法可以获得富含表面官能团的MXene纳米片。MXene本身具有较高的还原性,可以直接还原金属离子产生金纳米粒子。这种Ti₃C₂T_x/AuNPs复合结构不仅保留了MXene的优异性能,而且得益于金纳米粒子的催化作用,在过氧化氢/TMB体系中表现出突出的仿酶活性。不过,当PenG存在时,该体系的传统颜色变化反应受到干扰,这为构建基于该原理的PenG比色传感器奠定了基础。

为此,本文通过一步法制备了Ti₃C₂T_x/AuNPs层级纳米结构,系统研究了其在过氧化氢/TMB体系中的仿酶催化动力学特性。利用该Ti₃C₂T_x/AuNPs纳米复合物,成功建立了一种简单、快速、灵敏的PenG比色检测方法。该方法针对实际样品进行了验证,有望应用于食品中PenG的常规检测。

结果与讨论

1. Ti₃C₂T_x/AuNPs的结构表征

采用MILD法制备得到的Ti₃C₂T_x纳米片呈现有序的层状结构,厚度约30 nm。通过一步自组装法,AuNPs(直径40-70 nm)成功负载于Ti₃C₂T_x表面,形成独特的层级纳米结构。XRD结果表明,与MAX相相比,Ti₃C₂T_x的(002)衍射峰发生了明显的左移,证明层间距扩大。此外,Ti₃C₂T_x/AuNPs样品出现了一些新的衍射峰,归属于Au的特征衍射峰。这些结果表明,AuNPs已成功负载到Ti₃C₂T_x纳米片上。

XPS分析进一步揭示了Ti₃C₂T_x/AuNPs复合材料的化学键合情况。Ti 2p谱图中Ti-C、Ti-O等特征峰的出现,证实了Ti₃C₂T_x的形成。C 1s和O 1s谱图显示,在酸刻蚀过程中,大量含氧官能团(如-OH、-COO)引入到Ti₃C₂T_x表面。Au 4f谱图中Au(0)的特征峰表明,AuNPs已成功负载到Ti₃C₂T_x基底上。FT-IR和UV-vis进一步确认了Ti₃C₂T_x/AuNPs的成功合成。

2. Ti₃C₂T_x/AuNPs的仿酶动力学分析

Ti₃C₂T_x/AuNPs展现出良好的过氧化氢酶活性,能够催化TMB被氧化生成蓝色TMBox产物。随着反应时间的延长,溶液逐渐由无色变为蓝绿色,表明该过程发生了有效催化。对比实验表明,相比单独的Ti₃C₂T_x,Ti₃C₂T_x/AuNPs在较低浓度的H₂O₂和TMB条件下也能引起明显的颜色变化,这归因于AuNPs的引入显著增强了MXene的酶活性。

作者进一步系统研究了Ti₃C₂T_x/AuNPs的催化动力学特性。结果表明,随着反应pH和温度的升高,Ti₃C₂T_x/AuNPs的催化活性均先增后减,在pH 3.6和33 ℃时达到最大。利用Michaelis-Menten动力学模型分析了Ti₃C₂T_x/AuNPs对H₂O₂和TMB的催化动力学参数。与TMB相比,Ti₃C₂T_x/AuNPs对H₂O₂具有更高的亲和力(Km值更低)。

为探讨Ti₃C₂T_x/AuNPs催化机理,我们进一步开展了自由基捕获实验。结果显示,加入超氧阴离子(•O^2-)清除剂L-抗坏血酸后,反应速率显著下降,而同时加入•OH和h⁺清除剂对反应影响较小。这表明,超氧阴离子在Ti₃C₂T_x/AuNPs催化过程中起关键作用。

3. PenG的比色检测

基于Ti₃C₂T_x/AuNPs的仿酶过氧化氢酶活性,我们建立了一种简单有效的PenG比色检测方法。当PenG存在时,其能够有效抑制Ti₃C₂T_x/AuNPs催化TMB被氧化的过程,溶液颜色不会发生变化。通过测定A₆₅₃值即可实现对PenG的定量检测。该方法在缓冲液中表现出良好的线性范围(23.36 nM-35.05 μM)和低检出限(7.51 nM),满足欧盟和美国FDA对生乳中PenG最大残留限量的要求。

为验证该比色法在实际样品中的适用性,我们分别对添加PenG的自来水和脱脂乳进行了检测。结果表明,在这两种基质中,该方法仍能灵敏可靠地检测出PenG的存在。这表明,Ti₃C₂T_x/AuNPs作为仿酶材料具有良好的抗干扰性,为实际食品样品中PenG的快速检测提供了新思路。

结论

本工作通过简单的一步法合成了Ti₃C₂T_x/AuNPs层级纳米结构,并系统研究了其在过氧化氢/TMB体系中的优异仿酶催化性能。进一步发现,该材料对PenG表现出高灵敏度和选择性,可用于建立一种简单、快速、低成本的PenG比色检测方法。该方法不仅能够满足对生乳中PenG残留限量的检测需求,而且具有良好的抗干扰性,有望应用于实际食品样品中PenG的日常检测。这为利用仿酶材料开发新型抗生素快速检测技术提供了新思路和实践依据。

参考文献

Wang, W.; Gunasekaran, S., MXene/Gold nanoparticles heterostructure as catalase mimic for colorimetric detection of penicillin G. Chem. Eng. J. 2024, 482, 148693.