基于金纳米酶的快速无抗体检测系统助力饮用水质安全

引言

水污染问题一直是社会关注的重点问题。其中,抗生素污染正成为新的挑战,因为全球抗生素的使用量不断增加。氨基糖苷类抗生素卡那霉素(KAN)广泛应用于农业、水产养殖和畜牧业,但其残留不仅污染水环境,还可能通过食品传播,给人类健康带来严重威胁,如降低免疫力、增加耐药性和肾损害等。因此,有必要开发简单、快速且灵敏的KAN检测方法,为饮用水安全监测提供新思路。

传统的KAN检测方法如高效液相色谱(HPLC)和质谱(MS)等,虽然检测精度高,但需要复杂的仪器设备和样品预处理,不利于现场检测和大批量样品分析。免疫分析(ELISA)操作简单,灵敏度和特异性高,但受制于抗体质量和稳定性,且成本较高。近年来,新兴的核酸探针因成本低、保存容易及检测灵活性高而受到关注,与各类纳米材料结合开发了多种新型传感器。然而,这些光学传感器仍依赖于复杂的光学系统,难以实现现场快速检测。

红外热成像作为一种无接触的温度测量技术,具有响应快、测量范围广等优势,在新冠肺炎防控中发挥了重要作用。将其与特异性核酸探针相结合,有望构建简单、快速、灵敏的现场抗生素检测系统。本工作设计了一种基于热红外技术的无抗体适配体传感器(TIR-aptasensor),利用金纳米酶与核酸探针的协同调控实现对KAN的高选择性和高灵敏度检测,并开发了集成智能手机的便携式自动测量装置,为确保饮用水安全和遏制抗生素耐药性传播提供新方案。

结果与讨论

1. 检测机理与设备设计

该传感器系统的设计基于电金属纳米颗粒AuNPs的过氧化酶活性。在H₂O₂存在的情况下, AuNPs可催化无色酶底物TMB氧化生成具有特征吸收峰650nm的TMBox。照射808 nm近红外激光可使TMBox发生强烈的光热转换,在较短时间内产生显著的温度升高。单链DNA(ssDNA)探针偶联在AuNPs表面,通过其碱基与颗粒表面的化学相互作用而被吸附,增强了AuNPs对TMB的亲和力,放大了ssDNA在AuNPs表面的负电荷效应。靶标KAN的存在会导致特异性的ssDNA探针从AuNPs表面脱附,从而降低了AuNPs的过氧化酶活性,进而减弱了TMB的氧化及最终的光热转换效应。

为提高低浓度目标物检测的温度测量准确性和稳定性,我们采用了敏感的红外热成像技术,开发了基于智能手机热成像相机的自动检测装置。该装置由智能手机、微距红外相机和3D打印外壳组成,可有效减少外部光源和环境辐射的干扰,从而提高检测精度。装置内部的微控制单元控制激光和样品传送,通过手机软件实现简单的数据处理。

2. 探针浓度、温度和pH条件优化

通过实验验证了检测机理,并优化了关键参数。结果表明,仅有H₂O₂-TMB体系在AuNPs的催化下才展现了显著的光热性质,这是由于AuNPs催化TMB氧化产生蓝色TMBox所致。ssDNA探针能有效增强AuNPs的过氧化酶活性,当探针浓度从5 μM增加到10 μM时,温度升高幅度仅略有增加,说明5 μM为AuNPs表面饱和吸附浓度。此外,在37 ℃和pH 4.0的条件下,传感器性能达到最优,这与TMB通常在酸性环境下发生氧化反应的规律一致。

3. KAN检测性能与选择性评估

在优化条件下,我们测试了不同浓度KAN的光热转换特性。结果表明,KAN浓度升高时,溶液温度变化ΔT明显下降,原因是KAN降低了TMB的氧化,导致AuNPs催化活性下降。KAN浓度与ΔT呈良好的线性关系,在0-50 ng/mL范围内,检出限(LOD)为1.55 ng/mL,优于文献报道的其他方法。

作者还评估了传感器对其他常见抗生素(ERY、NOR和STR)的选择性。结果表明,只有目标KAN能明显降低AuNPs的催化活性,即使将干扰物浓度提高至KAN浓度的10倍,结果也未发生明显变化,证明该传感器系统对KAN检测具有优异的选择性。

4. 在实际河水样品中的应用

我们采用该传感器检测了实际河水样品中KAN的含量。结果显示,KAN的回收率在96.9%-106.1%之间,相对标准偏差RSD为0.93%-1.79%,表明该方法可以准确地测定实际水样中KAN的浓度,具有良好的可靠性及实际应用前景。

结论

本研究开发了一种基于金纳米酶调控的无抗体适配体传感器,实现了对KAN的简单、快速和灵敏检测。该TIR-aptasensor结合了便携式自动测量装置,采用手机热成像相机读取TMBox的光热转换信号,有效克服了传统方法的局限性。该传感器具有优异的灵敏度(LOD:1.55 ng/mL)和选择性,在实际河水样品中表现良好,为保护饮用水安全和遏制抗生素耐药性传播提供了新思路。未来,可以进一步优化传感系统设计,实现更高效的现场抗生素检测,为水环境管理提供有价值的技术支持。

参考文献

Jiao, F.; Cai, Z., A smartphone-based nanoenzyme-modulated aptasensor using an infrared camera for rapid detection of kanamycin. Chem. Eng. J. 2024, 481, 148699.