原位监测希瓦氏菌核黄素：光纤生物传感器的高效解决方案

原创

来源：占英

2025-06-27 09:46:51

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核心提示：本文开发了一种基于Ti3C2-MXene@SGNps复合材料改性的光纤生物传感器，用于原位无标记监测希瓦氏菌中的核黄素浓度，展现出高灵敏度和低检测限，为微生物腐蚀监测提供了新的有效手段。

腐蚀问题普遍存在于各行业，对人类生活和经济造成巨大损害。全球每年因腐蚀损失约4万亿美元，中国2014年损失约21728亿元人民币，占GDP的3.34%。腐蚀保护对国家发展、环保及人民健康安全至关重要。希瓦氏菌是广泛分布的兼性细菌，能还原不溶性金属，其胞外电子传递涉及Mtr途径，分泌的核黄素可加速金属腐蚀。为减少腐蚀威胁，急需监测微生物腐蚀标志物。开发高灵敏度、特异性的光纤生物传感器对早期防护意义重大。光纤微纳传感探针因结构简单、尺寸小、耐腐蚀、抗干扰等优点前景广阔，但灵敏度和选择性不足。

本研究利用Ti₃C₂-MXene二维材料和金纳米颗粒（GNps）增强传感器性能。Ti₃C₂-MXene具有丰富亲水官能团、宽等离子体间隙和良好电磁特性，结合红外光纤传感器可提升电磁特性。GNps作为电磁增强介质，嵌入MXene纳米片可增加电活性表面积并促进电子迁移。正方形金纳米颗粒（SGNps）比表面积更大，能提供更多活性位点，增强传感器与目标分子的相互作用，从而提高传感器灵敏度和响应速度。构建Ti₃C₂-MXene@SGNps复合材料可显著提升传感器在早期微生物腐蚀防护中的灵敏度。

研究内容

图1. 一种用于微生物腐蚀监测的光纤传感器

传感器设计与原理分析：本研究设计的光纤传感器为马赫-曾德尔干涉仪（MZI），具有横向偏移结构。通过逐步组装Ti₃C₂-MXene、SGNps和核黄素激酶，构建了传感器的传感界面。Ti₃C₂-MXene@SGNps纳米复合材料为核黄素激酶提供了更多的活性位点，具有更好的导电性和更快的电荷转移能力。SGNps作为光吸收体，激发电子-空穴对并将其转化为热电荷载流子，随后注入Ti₃C₂-MXene中。因此，光纤界面处的倏逝场强度增强，从而提高了传感器对光纤表面折射率（RI）微小变化的灵敏度。核黄素激酶在传感界面处能够识别、捕获并催化其分解，导致光纤表面RI发生微小变化。利用这种传感策略，传感器不仅能够在含有腺苷三磷酸（ATP）和Mg²⁺的混合物中感知核黄素，还能监测希瓦氏菌破碎液中的核黄素。

图2. 传感器表面的微观特征

传感器表面功能化：通过共价键组装法将二维Ti₃C₂-MXene纳米片应用于传感器表面，并依次将SGNps和核黄素激酶固定在传感区域。扫描电子显微镜表征结果显示，Ti₃C₂-MXene和Ti₃C₂-MXene@SGNps在光纤上形成了均匀的纳米界面，核黄素激酶也均匀分布在传感器上。Ti₃C₂-MXene纳米片的特殊结构特性为SGNps提供了更多的结合位点，通过自组装获得的Ti₃C₂-MXene@SGNps复合材料显著扩展了传感器表面的结合位点，有利于固定更多的核黄素激酶，从而扩大了传感器对核黄素的检测范围。

图3. RI灵敏度测量

Ti₃C₂-MXene@SGNps复合材料的敏化作用：通过测试不同涂层的传感器对折射率（RI）的灵敏度，发现Ti₃C₂-MXene@SGNps复合材料涂层的传感器RI灵敏度从14440.48 nm/RIU提高到25852.38 nm/RIU，灵敏度提高了79%。

图4. 核黄素的测量

核黄素浓度测量：传感器对不同浓度核黄素溶液的响应结果显示，随着核黄素浓度从0增加到170 μmol/L，传感器的响应光谱逐渐向短波长方向移动。在0-2.656 μmol/L的浓度范围内，核黄素浓度与波长移动呈线性关系，灵敏度为-5.61 nm/μmol/L，检测限为115 nmol/L。传感器在低浓度和高浓度溶液中的响应时间约为360秒，表现出良好的稳定性，最大波动分别为0.64 nm和0.8 nm，标准差分别为0.20340688 nm和0.215025341 nm。在抗干扰测试中，传感器对核黄素的选择性良好，对其他干扰物的响应较小。温度、pH和压力变化对传感器输出的影响较小，表明传感器具有良好的抗干扰能力。

图5. 干扰试验结果a)选择性试验结果；b) pH的影响；c)温度的影响；d)压力的影响。

图6. 核黄素原位测定的对比实验。

图7. 原位核黄素测定结果讨论。

希瓦氏菌破碎液中核黄素的原位测量：传感器在希瓦氏菌破碎液中对核黄素的响应结果显示，随着破碎液的吸光度（OD）从0增加到0.6，共振波长移动了17.08 nm。在0-0.175 OD范围内，核黄素浓度与波长移动呈线性关系，灵敏度为-53.90 nm/OD，检测限为OD=0.017。传感器在破碎液中的响应时间约为360秒，稳定性良好，标准差分别为0.309 nm和0.314 nm。在原位监测中，传感器的检测性能与理想环境相当，表明该传感器在复杂环境中具有良好的应用前景。

本研究设计了一种用于微生物腐蚀标志物监测的光纤MZI传感器，通过Ti₃C₂-MXene@SGNps复合材料对传感器进行敏化，并通过共价键将核黄素激酶固定在复合材料上，以核黄素分子作为特异性识别物质。实验结果表明，Ti₃C₂-MXene@SGNps复合材料能有效提高传感器的RI灵敏度，使RI灵敏度从14440.48 nm/RIU提高到25852.38 nm/RIU，灵敏度提高了79%。在核黄素浓度为0-21.25 μmol/L范围内，传感器对核黄素的测量灵敏度为-5.61 nm/μmol/L，检测限为115 nmol/L。在希瓦氏菌破碎液中，传感器对核黄素的响应灵敏度为-53.90 nm/OD，检测限为OD=0.017。此外，传感器在抗干扰测试中展现出良好的特异性和抗压、抗pH干扰能力。