单原子钌纳米酶超敏感检测抗生素，开拓新技术前景

1. 引言

氯霉素(CAP)作为一种广谱抗生素,由于其在预防动物各种传染病方面的成本效益和高效性,在畜牧业中得到广泛应用。然而,CAP的过度使用会导致严重的副作用,因为它会在食用动物和乳制品中积累。欧盟已经建立了0.3 μg L⁻¹的CAP最低性能要求标准。目前广泛使用的检测方法包括液相色谱-质谱、气相色谱-质谱和酶联免疫吸附测定法,尽管这些方法满足灵敏度标准,但它们通常昂贵,需要复杂的设备,涉及繁琐的步骤,并且需要较长的时间,因此亟需建立一种简单、快速和灵敏的方法来监测和检测食品行业中的CAP残留。

光电化学(PEC)适配体传感器因其极低的背景噪音、高选择性、快速响应和简单微型化而受到广泛关注。但是,实际样品中痕量分析物以及样品预处理过程和复杂的样品基质,都需要对传感器进行高灵敏度改造。信号放大策略是提高PEC传感器灵敏度的必要手段。生物催化沉淀(BCP)是一种简单有效的策略,利用天然酶如辣根过氧化物酶(HRP)产生绝缘性沉淀,从而影响光电流信号的变化,提高PEC传感器的灵敏度。但是,天然酶存在稳定性差、成本高昂和储存条件苛刻等局限性,限制了其在生物传感器中的应用。

具有酶样功能的纳米酶被探索为可能的替代品,由于其廉价、高稳定性和简单制备等优势。如Co₃O₄-Au多面体、超薄PtNi纳米线和中空笼状PtCu等过氧化物酶样纳米酶已被用于诱导BCP反应,可提高PEC传感器的灵敏度。然而,传统纳米酶面临元素组成不均匀、活性位点密度低和复杂催化机理等挑战,限制了其催化效率和选择性,无法与天然酶相媲美。因此,开发创新且高活性的过氧化物酶模拟纳米酶将为PEC传感策略提供新方法。

单原子纳米酶是一类独特的纳米酶,具有接近100%的原子利用效率和精准的原子级分散活性位点,表现出高催化活性和优异的选择性,有助于深入研究催化机理,弥补了天然酶和传统纳米酶的不足。因此,将单原子纳米酶与BCP反应相结合,有望在PEC传感系统中建立一种有效的信号放大策略,从而提高PEC传感器的灵敏度、选择性和准确性。

本工作构建了一种基于单原子钌(Ru)纳米酶介导的BCP信号放大策略的新颖PEC适配体传感器,用于超敏感检测CAP。研究发现,基于Ru单原子的Ru SA/GFs纳米酶具有出色的过氧化物酶样活性,能够有效促进4-CN的氧化,产生不溶性沉淀,从而显著降低光电流信号。而当存在CAP时,适配体会从电极上游离,导致光电流信号升高,提高了检测灵敏度。这种单原子Ru纳米酶介导的BCP信号放大策略与Au纳米颗粒/CdS量子点/TiO₂复合物作为光电活性材料相结合,在自供电模式下实现了对CAP的超低检测限4.12 pM,具有优异的选择性和准确性。这不仅推进了单原子纳米酶在超敏感PEC生物传感器领域的应用,也为超敏感检测抗生素残留等创造了新的途径。

图1. 基于Ru SA/GFs纳米酶介导信号放大策略的PEC适体传感器检测CAP示意图

2. 结果与讨论

I. Ru SA/GFs的表征

SEM和TEM表明,Ru SA/GFs由连续的网状结构组成,HR-TEM和HAADF-STEM进一步证实Ru完全以单原子形式均匀分散在GFs上,没有观察到Ru纳米簇或颗粒。XRD、拉曼光谱等分析确认Ru的负载未改变GFs的结构。XPS和XAFS结果表明,Ru单原子与GFs之间存在强电子相互作用,形成Ru-O键。

图2. (A)TEM、(B)HR-TEM、(C)和(D)Ru SA/GFs的AC-HAADF-STEM图像、(E) Ru SA/GFs、Ru NP/GFs和GFs的XRD图案和(F)拉曼光谱；(G)Ru 3p的高分辨率XPS光谱；(H)XANES光谱；(I)Ru K边的WT k³加权χ(k)函数和(J)Ru SA/GFs、(K)Ru-foil和(L)RuO₂的WT-EXAFS图。

II. Ru SA/GFs纳米酶的过氧化物酶样活性

紫外-可见吸收光谱实验发现,与GFs和Ru NP/GFs相比,Ru SA/GFs表现出显著的过氧化物酶样活性,能够有效催化TMB与H₂O₂反应,产生蓝色氧化产物。通过动力学分析发现,Ru SA/GFs的Michaelis常数K_m和k_cat分别为29.63 μM和9.84 s⁻¹,优于天然的HRP酶,表明其具有高效的催化性能。DFT计算结果揭示,Ru单原子上的未饱和配位位点可以更有效地吸附和激活H2O2,从而促进后续的催化反应。这种卓越的过氧化物酶样活性可为构建高灵敏度的PEC传感器提供新的信号放大策略。

图3. (A)Ru SA/GFs纳米酶的过氧化物酶样活性；(B)不同体系中oxTMB的紫外可见吸收光谱（插图为相应的彩色照片）；pH值（C）和时间（D）对Ru SA/GFs催化活性的影响；不同浓度TMB（E）和H₂O₂（F）对Ru SA/GFs的稳态动力学分析，插图为相应的Lineweaver-Burk图；(G)ESR光谱；(H)自由能曲线；(I)Ru SA/GFs纳米酶过氧化物酶样活性的反应过程。

III. 基于Ru SA/GFs纳米酶介导的BCP信号放大策略的PEC适配体传感器

将Ru SA/GFs纳米酶与Au NP/CdS QD/TiO₂复合光电极集成,构建了一种新型的PEC适配体传感器用于CAP超敏感检测。当CAP不存在时,Ru SA/GFs高效催化4-CN与H₂O₂反应,产生不溶性沉淀,从而导致光电流明显降低;而当CAP存在时,与之具有高亲和力的适配体从电极上游离,使得光电流信号升高。这种Ru SA/GFs纳米酶介导的BCP信号放大策略,结合高效的光电转换材料Au NP/CdS QD/TiO₂,在自供电模式下实现了对CAP的超低检测限4.12 pM,具有优异的选择性和准确性。

图4. (A)不同改性电极的光电流响应；(B)不同电极的奈奎斯特图：TiO₂/FTO (a)、CdS QD/TiO₂/FTO (b)、Au NP/CdS QD/TiO₂/FTO (c)、cDNA/Au NP/CdS QD/TiO₂/FTO (d)、BSA/cDNA/Au NP/CdS QD/TiO₂/FTO (e)、Apt–Ru SA/GFs/BSA/cDNA/Au NP/CdS QD/TiO₂/FTO (f)、CAP/Apt–Ru SA/GFs/BSA/cDNA/Au NP/CdS QD/TiO₂/FTO (g)以及与4-CN和H₂O₂孵育(h)；(C)紫外-可见漫反射光谱（插图为Tauc图）；(D) TiO₂、CdS QD/TiO₂和Au NP/CdS QD/TiO₂的莫特-肖特基图；(E) PEC适体传感器的电子转移机制；(F) Apt和(G) CAP的孵育时间的影响；(H)催化沉淀时间对光电流响应的影响。

3. 结论

本工作利用单原子Ru纳米酶介导的BCP反应作为信号放大策略,与Au NP/CdS QD/TiO₂复合物构建了一种新颖的PEC适配体传感器,实现了对CAP的超敏感检测。Ru单原子表现出卓越的过氧化物酶样活性和选择性,能够有效催化4-CN的氧化反应,产生不溶性沉淀,从而显著影响光电流信号,大幅提高了检测灵敏度。这不仅深化了单原子纳米酶的催化机理,也为基于单原子纳米酶的超敏感PEC生物传感器开拓了新的应用前景,为其他领域如超灵敏检测抗生素残留等创造了新的可能性。

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116917