磁性金纳米粒子介导的纸基生物传感器用于食品掺假的高灵敏比色检测

原创

来源：占英

2025-02-07 08:44:58

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核心提示：基于聚多巴胺磁性金纳米颗粒介导的纸基生物传感器对于食品掺假的高灵敏比色检测至关重要。

1. 引言

食品掺假已成为全球公共卫生问题，指故意在食品中添加非固有成分以增加重量、降低成本或掩盖低劣品质。常见案例包括在清真食品中掺入猪肉和转基因食品。为维护消费者权益，开发可靠、灵敏的检测方法至关重要。比色法检测因其即时结果而具有独特优势，智能设备和生物传感器可提高准确性和灵敏度。然而，复杂食品样品中的颜色干扰限制了比色法的应用。近年来，磁性纳米粒子辅助萃取技术成为处理复杂样品的热门选择。这种技术能够在短时间内特异性捕获目标物质，适用于富集食品污染物和生物代谢物。基于此，利用磁性纳米粒子同时富集和检测DNA成为可能，为食品掺假检测提供了新的解决方案。

本研究首次提出了聚多巴胺修饰磁性纳米粒子-适配体- gps纳米复合材料，用于一步提取DNA和食品掺假比色检测。并开发了智能设备辅助的纸质生物传感器，以获得即时定量结果。聚多巴胺（PDA）修饰的磁性纳米颗粒（PDA-COOH@MNPs）首次用于选择性提取和预富集样品中的DNA。目标DNA被吸附到磁珠上，随后被携带探针DNA的金纳米颗粒结合（probe@GPs），形成PDA-COOH@MNPs-aptamer-GPs。之后，加入洗脱液使适配体- gps分离，导致变色。然后将洗脱液滴入基于纸的生物传感器的疏水圈中，并借助智能设备对猪肉掺假的存在进行比色半定量。

图1. PDA-COOH@MNPs结合金纳米颗粒和纸基生物传感器智能检测猪特异性DNA的机理和原理图。

2. 结果与讨论

PDA-COOH@MNPs和金纳米颗粒的表征

本研究通过扫描电镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FT-IR）和DLS粒度分析对聚多巴胺（PDA）包封的磁性纳米颗粒（MNPs）进行了表征。PDA-COOH@MNPs呈黑色粉末，显示出良好的分散性和稳定性。FTIR分析表明，PDA成功附着在Fe₃O₄表面，形成涂层，并且-COOH基团成功接枝。粒度分析显示，PDA-COOH@MNPs的尺寸从313 nm增加到369 nm，表明涂层导致颗粒增大。

磁性测量结果显示，PDA-COOH@MNPs的饱和磁化强度低于Fe₃O₄，但仍具备足够的磁响应以有效分离目标DNA。PDA的修饰使得纳米颗粒在不同pH条件下的电位发生变化，pH 2.0时为41.8 mV，pH 8.0时降至-42.3 mV。这种电位变化有助于通过静电相互作用吸附和洗脱DNA片段。此外，金纳米颗粒的成功合成为比色检测提供了关键支持，其直径约为13 nm，形态均匀。

图2. PDA-COOH@MNPs和金纳米颗粒的表征。

比色检测的可行性

为验证智能检测方法的可行性，研究将目标DNA与金纳米颗粒结合的化合物添加到纸基生物传感器的疏水圈上。通过Pap笔在NC膜上绘制疏水圈，并将pH值调整为2.0的洗脱液滴入其中，以确保颜色变化源于pH变化而非洗脱过程。实验结果显示，含猪肉DNA的样品在疏水圈内呈现酒红色，而不含猪肉的样品则保持无色，证明了金纳米颗粒与目标DNA的特异性结合。

对比实验表明，当pH值为2.0时，疏水圈保持无色，因为此时PDA-COOH@MNPs表面带正电荷，牢固吸附DNA。不同掺假比例的测试显示，猪肉掺入量为50%和10%时，检测结果明显阳性，而不含猪肉时为阴性。这表明该方法具有良好的可行性和实际应用价值。

图3. 比色检测的可行性。

DNA捕获和洗脱的优化

优化过程的关键因素包括DNA捕获和aptamer@GPs洗脱的pH值、磁提取时间和温度。为确定最佳捕获pH值，研究在不同pH下将目标DNA溶液与PDA-COOH@MNPs结合，分析DNA浓度变化。结果显示，pH 2.0时捕获的DNA数量最大（9.76 nmol），而pH超过6.0时捕获效果显著下降。

结合时间的研究表明，10分钟时吸附达到平衡，约95%的DNA被吸附。结合温度在5-40°C范围内效率稳定，适合于实际应用。洗脱条件的优化显示，pH 8.0时洗脱效率最高（8.63 nmol），1分钟洗脱时间足以恢复90%的目标DNA。这些结果表明，pH 2.0和洗脱时间1分钟是最佳条件。

图4. 各种因素对靶DNA结合和洗脱效率的影响。

比色法检测的灵敏度和特异性

为了量化NC膜疏水圈内的颜色，使用智能手机拍摄图像并通过Photoshop分析（a*值）。检测到的目标DNA浓度范围为0~66.7 nmol mL⁻¹，颜色强度随浓度增加而增强，线性回归方程为y = 0.7631x + 2.262，相关系数为0.9936，检测限（LOD）为4.59 nmol mL−1，超过了猪肉掺假的典型水平。

特异性测试中，仅目标DNA与功能化金纳米颗粒结合，产生可见红色，而非靶DNA样本保持无色，显示出高特异性（p < 0.05）。这些结果证明了该比色检测方法的有效性和实际应用价值。

图5.比色法检测的灵敏度和特异性。

3. 总结

本研究提出了一种新的比色检测方法，用于食品中猪肉掺假。该方法结合了磁性纳米粒子和金纳米粒子，实现了一步提取和变色检测。首先，使用PDA-COOH@MNPs进行磁提取，以去除杂质并富集目标DNA。随后，加入探针-GPs以实现高特异性识别，探针结合到磁性纳米颗粒上，与目标DNA特异性吸附。经过洗脱后，将洗脱液滴注于NC膜的疏水圈上，并通过智能设备进行量化。优化实验确定最佳吸附pH为2.0，洗脱pH为8.0。该传感器的LOD为4.59 nmol mL⁻¹，线性回归方程为y = 0.7631x + 2.262，验证了该方法在实际样品分析中的高精确性和可行性。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.134849