一种用于病原体超灵敏检测的等离子体纳米传感器

以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者Nanozymes

大肠杆菌O157:H7是最常见的引起食源性疾病的病原体之一，已造成全球健康问题和经济负担。发明快速识别病原体的方法，减少因摄入受污染的食物或水源而引起的感染是必要的措施。纳米酶作为新一代人工酶，可在极端pH和温度条件下保持高催化活性，在离子、小分子、蛋白质和生物污染物的农业食品检测中变得越来越流行。近日，美国密苏里州立大学化学与生物化学系的Tuhina Banerjee教授与美国匹兹堡州立大学化学系Santimukul Santra教授合作在Analytical Chemistry上发表了题为“Plasmon-Enhanced Bimodal Nanosensors: An Enzyme-Free Signal Amplification Strategy for Ultrasensitive Detection of Pathogens”的研究工作，该文章第一作者为匹兹堡州立大学化学系的Nilamben Panchal。作者开发了一种基于传统ELISA测定的灵敏纳米平台，该平台由一种新型多功能磁等离子体纳米传感器（MPnS）和靶抗体（MPnS-Ab）组成，将磁性氧化铁（Fe3O4）纳米颗粒（IONPs）与金纳米颗粒（GNP）的酶活性相协同，用于现场快速、准确地检测大肠杆菌O157:H7。（图1）

图1 ELISA平台整体工作原理图。

首先，如图2所示，作者合成了由IONPs和GNPs组成的MPnS，该合成涉及两个步骤：制备聚丙烯酸（PAA）包覆的IONP，并使用优化的Turkevich方法形成原位GNP，并将其封装在 IONP 的 PAA 涂层中。Au3+ 成功被还原的标志是溶液变为深宝石红色（λmax = 522 nm），这也代表MPnS合成结束。如图3所示，动态光散射（DLS）、透射电子显微镜 （TEM）、能量色散X射线谱 （EDS）、T2 MR 和紫外可见光谱法等被用于表征 GNP 和 IONPs 在 MPnS 内的整合。

图2 抗体偶联功能MPnS的合成及其检测大肠杆菌O157:H7的工作原理。

图3  MPnS 和抗体偶联 MPnS 的表征：(A) MPnS 偶联前后的流体动力学半径， (B) ζ电位， (C) TEM、比例尺：200 nm ， (D) MPnS 的 EDS。(E) 抗体共轭图像，其中 (1) 阳性对照、(2) GNP 、 (3) MPnS ， (F) MPnS 和 MPnS-Ab 的 T2 磁弛豫， (G) 紫外-可见吸收光谱。

然后，本文发现了当与8 μg/mL抗大肠杆菌O157:H7抗体偶联时，MPnS-Ab制剂对检测大肠杆菌O157:H7具有很高的特异性。MPnS具有优异的催化活性（kcat ∼ 5.9 × 105 s–1），这是源于氧化铁和GNP类过氧化物酶活性的协同作用。此外，根据动力学研究表明（表1），与天然酶相比，MPnS对于大肠杆菌O157:H7的检测灵敏度提高了100倍。如图4C–D所示， 基于MPnS的ELISA测定可在15分钟内完成，是基于HRP的检测时间的一半。如图5所示，该平台也可用于实际样品如牛奶和菠菜中大肠杆菌O157:H7的检测。虽然灵敏度略有降低，这可能是源于干扰蛋白质和天然产物的存在。

表1 从 Michaelis–Menten拟合曲线获得的 HRP、IONP、GNP 和 MPnS 纳米酶的动力学参数。

图4（A–B）通过在存在其他细菌交叉污染物的混合情况下进行检测来评估MPnS-Ab纳米酶的特异性。使用 （C） HRP 和 （D）  MPnS-Ab 纳米酶对大肠杆菌 O157:H7 检测时变图。

图5 使用MPnS纳米酶对（A）牛奶和（B）菠菜中加入的大肠杆菌O157:H7的不同CFU进行比色检测。

本文证明了MPnS纳米酶的强稳定性和优越的类过氧化物酶活性，并且功能性MPnS可以大大增强在早期阶段对复杂食物基质中细菌污染物进行简易检测的能力，这将显著降低患者住院率和死亡率.

转自：“NANO学术”微信公众号

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