磁分离处理单核增生李斯特菌生物传感用电荷转移工程视角构建类pod纳米酶

原创

来源：魏文杰

2024-11-15 10:44:57

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核心提示：一种基于磁分离技术和纳米酶催化信号放大的新型生物传感器用于检测单核细胞增生李斯特菌（L. monocytogenes）。

研究背景：长时间以来，致病菌一直是危害公共健康的重要因素。在一项2019年的研究中，1370万例感染导致的死亡中，有770万例与致病菌相关。这些致病菌相关的感染给诊断和治疗带来了重大挑战。考虑到食品中致病菌的实际含量低且样本基质可能会影响检测结果的准确性，预处理和高效的致病菌捕获方法对于提高检测的灵敏度至关重要。其中，L. monocytogenes是一种重要的食源性致病菌，可引起严重的食品安全问题。因此，开发一种高效、准确的L. monocytogenes检测方法具有重要意义。与抗体相比，抗生素作为识别分子具有稳定且易获得的优势。多尼培南（DRP）对细菌细胞膜上的青霉素结合蛋白（PBPs）有高亲和力，可干扰PBPs正常酶活性，抑制细菌细胞壁合成。

实验设计：通过经典碳二亚胺反应将DRP偶联到商业磁珠（MBs）上，形成MBs-DRP复合物。在磁场的作用下，MBs-DRP能够实现L. monocytogenes的高效富集和分离。为了构建高灵敏度的检测方法，研究引入了纳米酶催化的信号放大技术。纳米酶具有类似酶的催化活性，可以放大检测信号。研究选择了具有过氧化物酶（POD）样活性的血红素（Hemin）作为纳米酶的基础，并引入了MXene-Au来提高其催化活性。MXene可以自还原金纳米粒子（AuNPs）而无需还原剂，同时AuNPs的引入可以使血红素的铁离子从三价还原为二价，提供更好的POD样活性。在H₂O₂的存在下，被POD样纳米酶催化的邻苯二胺（OPD）被氧化生成DAP，通过差分脉冲伏安法（DPV）检测DAP的电流来量化L. monocytogenes的浓度。使用AutoDock Vina进行DRP与L. monocytogenes PBPs（如PBP 4和PBP D2）的分子对接，评估结合亲和力和相互作用模式。

实验方法：使用CHI 660E电化学工作站进行所有伏安法实验。通过Michaelis-Menten方程计算米氏常数（Km），反映纳米酶的催化性能。利用差分脉冲伏安法（DPV）检测2,3-二氨基吩嗪（DAP）的电流，用于L. monocytogenes的电化学检测。

实验结果：在PBS和苹果汁中，MBs-DRP能捕获约90%的L. monocytogenes（浓度≤10^-6 CFU/mL）。在生菜、医院废水和池塘水中加标的L. monocytogenes捕获效率分别为80.00%、85.71%和86.18%。通过SEM、TEM、XRD、XPS和Zeta电位等方法表征MXene-Hemin-Au的结构和形态。通过电子自旋共振（ESR）和密度泛函理论（DFT）计算探究MXene-Hemin-Au的潜在催化机制。

参数优化与性能分析：

pH优化：NaAc-HAc缓冲液和PBS的pH分别优化为4.0和7.0，以获得最大DAP电流。

时间优化：标记时间和催化时间分别优化为30分钟和15分钟。

线性关系与检出限：在10^-1 CFU/mL至10^-6 CFU/mL范围内建立线性关系，检出限（LOD）为2.3 × 10^-1 CFU/mL。

选择性与适用性：通过记录四种非目标病原细菌的响应电流，评估生物传感器的选择性。在多种实际样品中验证生物传感器的适用性和准确性。

结论：研究提出了一种基于MBs-DRP和MXene-Hemin-Au@mAb的新型生物传感器，用于电化学检测L. monocytogenes。该传感器具有高灵敏度和良好的选择性，可归因于DRP修饰的MBs与L. monocytogenes PBPs的高亲和力以及MXene-Hemin-Au POD样纳米酶的优异催化活性。该研究为食品中L. monocytogenes的检测提供了一种新的有效方法，实现了对L. monocytogenes的高灵敏度和高选择性检测，为食品安全检测提供了新的思路和方法。

图1所示研制的L. monocytogenes生物传感器示意图。磁选战略；电荷转移工程；（iii）L. monocytogenes的生物传感。

图2所示。(a) MXene的合成步骤。(b) MAX （Ti3AlC2）和(d) MXene（少层Ti3C2）纳米片的AFM图像和相应的高度轮廓（c, e）。

图3所示。MXene-Hemin-Au的表征。(a) MXene-Hemin-Au的合成步骤。（b-c） MXene的透射电镜。（d-e） MXene-Hemin透射电镜。（f-g） MXene- Hemin-Au的SEM。MXene-Hemin-Au的（h-i） TEM。MXene (j)和MXene- hemin - au (k)的XRD。(l) MXene-Hemin-Au@mAb的Zeta电位。(m) MXene-Hemin-Au产生的•OH的EPR光谱。

图4所示。MXene-Hemin-Au的催化活性。(a)不同催化体系的紫外-可见吸收光谱。(b) MXene-Hemin-Au不同组分的紫外-可见吸收光谱。(c)类pod的MXene-Hemin-Au的能量图。(d) mxe - hemin - au0 /10/30/50/100/200/400的公里。

图5所示。(a) L. monocytogenes的电化学检测步骤。分析性能参数的优化。(b) NaAc-HAc的pH值。(c) PBS的pH值。(d)贴标时间。(e)催化时间。L. monocytogenes生物传感策略的性能研究。(f)不同浓度L. monocytogenes的DPV电流和(g)校准曲线。

https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.141495