双金属负载的ZIF-8具有过氧化物酶样光热活性，用于灵敏检测和有效清除单核增生李斯特菌

引言

细菌性感染性疾病是全球公共卫生的重大威胁之一,其中李斯特菌(Listeria monocytogenes)是主要致病菌之一。因此,开发出既能高灵敏度检测,又能高效消除李斯特菌的方法具有重要意义。

纳米材料的兴起促进了生物传感器检测灵敏度的提升。其中,具有过氧化物酶样活性的贵金属纳米酶如金、铂纳米颗粒,由于成本低、稳定性好、易功能化等优势而广受关注。利用无色的3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)氧化为蓝色的oxTMB,可以实现比色检测。但单一信号输出的比色传感器易受干扰,难以保证检测结果的准确性。因此,综合利用多种信号输出的复合纳米材料成为提高检测精准度的新策略。

同时,除了灵敏检测外,消除由检测引发的二次污染也是亟需解决的问题。近年来,集成检测和消除功能的方法,如利用光热性能的纳米材料进行光热消毒,已经取得一定进展。但仍存在靶向性差、单一检测模式准确度不足、消毒效率不高等问题。

本文设计了一种双金属负载ZIF-8纳米复合材料(ZIF-8@Au@Pt NPs),具有优异的过氧化物酶样活性、表面增强拉曼散射(SERS)特性和光热转换性能,实现了李斯特菌的灵敏检测和高效消除。

结构与性能

ZIF-8@Au@Pt NPs通过分步法制备,首先将金纳米星(AuNSTs)和铂纳米颗粒(PtNPs)负载于ZIF-8模板上。EDS元素映射和XPS谱图证明Au、Pt元素成功引入。XRD和FT-IR结果表明,ZIF-8的骨架结构得到良好保留。

ZIF-8@Au@Pt NPs表现出优异的过氧化物酶样活性,能够在H₂O₂存在下氧化无色TMB为蓝色oxTMB。动力学实验表明,ZIF-8@Au@Pt NPs对TMB和H₂O₂的亲和力分别为0.27 mM和0.38 mM,催化活性优于天然过氧化物酶。此外,AuNSTs和PtNPs协同作用赋予ZIF-8@Au@Pt NPs出色的SERS增强效果,SERS谱图中oxTMB特征峰清晰可辨。光热性能测试表明,ZIF-8@Au@Pt NPs在660 nm、2 W/cm²的近红外光照下光热转换效率高达71.72%。

灵敏检测与高效消除

基于ZIF-8@Au@Pt NPs的多功能特性，作者设计了一种双模式检测李斯特菌的方法。首先,磁珠修饰李斯特菌特异性寡核苷酸Apt1,与受测样品中的李斯特菌发生特异性结合,达到初步捕获目标细菌的效果。随后,AuNSTs/PtNPs修饰的ZIF-8又与另一种特异性寡核苷酸Apt2结合,形成夹心复合物。上清液中未反应的ZIF-8@Au@Pt-Apt2NPs能够氧化TMB,产生比色信号;同时,反应液还展现出丰富的SERS特征峰,实现了比色和SERS双模式检测,分别达到7 CFU/mL和5 CFU/mL的检测限。

此外,ZIF-8@Au@Pt NPs优异的光热转换性能和产生活性氧的能力,使其能够在近红外光照下快速高效消杀捕获的李斯特菌。仅经2 min的光热协同处理,就可以实现近100%的杀菌效果,有效避免了二次污染的发生。

结论与展望

本研究设计了一种集灵敏检测和高效消除于一体的复合纳米材料ZIF-8@Au@Pt NPs,实现了对李斯特菌的快速、准确检测和彻底消杀。其中,ZIF-8作为模板,AuNSTs和PtNPs的协同作用赋予了材料多样化的功能特性,包括优异的过氧化物酶样活性、SERS特性和光热转换能力。通过与特异性寡核苷酸的结合,实现了对李斯特菌的精准识别和检测。同时,光热消毒与活性氧的协同杀菌作用,大幅提高了消除效率,避免了二次污染的发生。该方法为实现细菌的灵敏检测和高效消除提供了新思路,在食品安全、医疗卫生等领域具有广泛应用前景。

参考文献

Tingting Su, Yuting Chang, Minghui Lu, Xianfeng Lin, Zhiyuan Ning, Shijia Wu, Zhouping Wang, Nuo Duan, Bimetallic loaded ZIF-8 with peroxidase-like and photothermal activities for sensitive detection and efficient elimination of Listeria monocytogenes, Chemical Engineering Journal, Volume 497, 2024, 154918. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154918.