抗生素是水產(chǎn)養(yǎng)殖中常用的藥物，用于治療各種細菌疾病，提高飼料利用率，并減少對某些營養(yǎng)素的需求。迄今為止，科學家已經(jīng)建立了高效液相色譜法、質(zhì)譜法和酶聯(lián)免疫吸附測定法等多種抗生素分析技術(shù)。然而，盡管這些方法靈敏度高，但樣品前處理復雜、儀器昂貴、勞動強度高、人員訓練有素，極大地限制了其應用。與納米材料結(jié)合的熒光檢測技術(shù)具有檢測限超低、實時快速檢測、檢測范圍大、成本低等無可比擬的優(yōu)點，已被廣泛應用于抗生素的檢測。 近年來，核酸適配體技術(shù)已經(jīng)成為食品摻假和污染物快速檢測的領(lǐng)跑者。

與抗體相比，核酸適配體表現(xiàn)出更好的特性，包括更高的親和力、更高的特異性、更高的穩(wěn)定性和更容易標記。目前，已有研究人員開發(fā)出了一種基于信號放大策略的雙目標電化學適配體傳感器，用于高靈敏度地同時檢測卡那霉素和鏈霉素。然而，目前還沒有紙基微流控適配體傳感器與熒光納米顆粒結(jié)合用于抗生素的多重檢測。 基于此，江南大學吳世嘉教授團隊設(shè)計了一種基于多色熒光碳點（CDs）適配體傳感器的激光打印紙基微流控芯片（mCD-μPAD適配體傳感器），實現(xiàn)了多種抗生素的同時檢測。

此外，還設(shè)計了一種3D打印的便攜式檢測盒，可以通過智能手機直觀地分析磺胺二甲嘧啶（SMZ）、土霉素（OTC）和氯霉素（CAP）。通過智能手機識別熒光紙張圖像的RGB值，可以實現(xiàn)對水產(chǎn)品中多種抗生素的同時可視化檢測。文章以“Laser-Printed Paper-Based Microfluidic Chip Based on a Multicolor Fluorescence Carbon Dot Biosensor for Visual Determination of Multiantibiotics in Aquatic Products”為題發(fā)表在ACS Sensors期刊上。

首先，研究人員通過水熱法合成了多色熒光CDs，然后與抗生素適配體和MoS?納米片結(jié)合，合成了“熒光關(guān)閉”檢測納米探針，如方案1A所示。然后，在自行設(shè)計的激光打印微流控紙基芯片的三個檢測區(qū)重復滴加三個檢測納米探針溶液，制成方案1B中的mCD-μPAD適配體傳感器。檢測過程如方案1C所示。

在沒有靶點的情況下，CDs通過π-π堆積作用與MoS?納米片形成的CDs-apt導致mCD-μPAD上的熒光猝滅，這可以促進熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）過程的形成。然而，當樣品溶液被mCD-μPAD適配體傳感器吸附時，溶液中的抗生素會在濾紙的毛細作用下遷移到檢測區(qū)。然后，它們各自的適配體特異性地識別它們，并形成伴隨構(gòu)象變化的適配體/靶點復合體。

在這種情況下，CDs和MoS?之間的距離變大，阻礙了能量的傳遞。通過便攜式檢測設(shè)備和可用的智能手機拍攝檢測區(qū)域中的熒光顏色變化，可以通過安裝的顏色識別應用程序提取捕獲的熒光圖像或?qū)崟r圖像的RGB通道值，并將其轉(zhuǎn)換為灰度值。圖像的灰度值與抗生素的濃度成正比。

方案1 mCD-μPAD適配體傳感器和便攜式智能手機檢測儀同時檢測多種抗生素

制備的三種CDs為分散均勻的球狀顆粒，平均粒徑分別為3.49 nm ± 0.63 nm、4.74 nm ± 0.65 nm和5.03 nm ± 0.69 nm（圖1a-1c）。三種CDs的紅外光譜相似，都具有C-O-C（1195/cm、1166/cm和1145/cm）、C-N（1417/cm、1394/cm和1400/cm）、C=O（1720/cm、1627/cm和1621 /cm）和O-H/N-H（3502/cm、3413/cm和3437/cm）伸縮振動和N-H（779/cm、827/cm和912/cm）彎曲振動（圖1d-1f）。用X射線光電子能譜對三種CDs的表面元素分析表明，多色CDs含有原子含量不同的C（284.8 eV）、N（400 eV）和O（531 eV）（圖1g?1i）。



圖1 （a）rCDs、（b）gCDs和（c）bCDs的TEM圖像和粒徑分布直方圖；（d）rCDs、（e）gCDs和（f）bCDs的FT-IR光譜；（g）rCDs、（h）gCDs和（i）bCDs的XPS譜 用UV-Vis吸收光譜、熒光激發(fā)和發(fā)射光譜研究了多色熒光CDs的光學性質(zhì)（圖2a-2c）。三種CDs在530 nm、360 nm和370 nm處的吸收帶分別與614 nm、490 nm和470 nm處的發(fā)射的激發(fā)光譜重疊。

rCDs在530 nm吸收峰歸屬于C=N鍵，gCDs和bCDs的360 nm和370 nm吸收峰歸屬于碳核的n→π*躍遷。在激發(fā)波長為518 nm、362 nm和374 nm時，三種CDs的最大發(fā)射波長分別為614 nm、493 nm和439 nm。



圖2 （a）rCDs、（b）gCDs和（c）bCDs的熒光和吸收光譜

通過ζ電位表征了適配體與CDs的結(jié)合（圖3a-3c）。rCDs、gCDs和bCDs的ζ電勢分別在-2.33 mV ~ -11.7 mV、-8.81 mV ~ -12.2 mV和-8.86 mV ~ -14.7 mV之間變化，這是由于適配體磷酸骨架上豐富的負電荷。如圖3d-3f所示，在CDs-apt中添加MoS?復合材料顯著猝滅了熒光強度（c線），在CDs直接摻入MoS?后，發(fā)光強度僅輕微猝滅（b線）。

此外，隨著靶點的加入，復合體系（CDs-apt-MoS?）的熒光強度顯著恢復（d線）。此外，還驗證了在μPAD上安裝檢測探針的可行性。μPAD在365 nm激發(fā)波長下的檢測區(qū)的熒光強度按a、b、d、c的順序逐漸減小，這與溶液中的結(jié)果一致。



圖3 （a）rCDs和rCDs-atp1、（b）gCDs和gCDs-atp2、以及（c）bCDs和bCDs-atp3的ζ電勢；（d）rCDs-atp1-MoS?、（e）gCDs-atp2-MoS?和（f）bCDs-atp3-MoS?納米探針在溶液中檢測抗生素的可行性

如圖4a所示，整個μPAD是半徑為30 mm的扇區(qū)。三種不同形狀的檢測區(qū)域和三個圓形緩沖區(qū)通過三個微通道與親水尖端相連。使用緩沖區(qū)，以避免由于檢測過程中液體流動速度過快而導致檢測探頭堆積在檢測區(qū)域的上部。圖4b、4c顯示了白天和365 nm激發(fā)光打印的多色熒光碳點附著在μPAD的照片。

通過掃描電子顯微鏡技術(shù)，可以認為檢測區(qū)浸入了CDs -apt -MoS?納米探針。圖4d、4e顯示了不同尺度下μPAD的空白檢測區(qū)，其中只能觀察到濾紙的纖維組織。在圖4f中，可以觀察到它們附著在纖維素過濾器的表面，并在將納米探針滴到檢測區(qū)后在一定程度上聚集在一起。

為了獲得更好的檢測性能，對MoS?的負載濃度和靶點孵育時間進行了優(yōu)化。從圖4g-4i中可以看出，隨著MoS?在納米探針中濃度的增加，相應濃度的μPAD的灰度值和熒光圖像都逐漸下降，紅色和綠色探針穩(wěn)定在0.25 mg/mL，藍色探針穩(wěn)定在0.30 mg/mL。

因此，rCDs和gCDs探針的最佳濃度為0.25 mg/mL MoS?，bCDs探針的最佳濃度為0.30 mg/mL MoS?。此外，通過確定抗生素濃度（100 ng/mL）來優(yōu)化目標孵育時間。結(jié)果表明，所有顏色的灰度值隨著時間的推移而逐漸增加，并在15分鐘時趨于穩(wěn)定（圖4j-4i）。因此，15 min為最佳孵化時間。



圖4 （a）μPAD的示意圖；μPAD在日光下（b）和在365 nm紫外光下附著多色熒光碳點的照片；在（d）100 μm和（e）10 μm處添加檢測探針之前的檢測區(qū)的掃描電子顯微鏡圖像；（f）在10 μm處添加檢測探針之后的檢測區(qū)的掃描電子顯微鏡圖像；（g）rCDs檢測探針、（h）gCDs檢測探針和（i）bCDs檢測探針的MoS?濃度的優(yōu)化；（j）rCDs檢測探針、（k）gCDs檢測探針和（i）bCDs檢測探針的孵育時間的優(yōu)化

通過便攜設(shè)備平臺和智能手機同時檢測SMZ、OTC和CAP。此外，為了使mCD-μPAD適配體傳感器可用于抗生素的現(xiàn)場定量，并提供穩(wěn)定的分析環(huán)境，設(shè)計了一種3D打印的便攜式檢測裝置。該設(shè)備的組成和結(jié)構(gòu)的照片如圖5a、5b所示。它由一個由電池供電的365 nm紫外光和一個帶有高質(zhì)量互補金屬氧化物半導體相機的智能手機組成。檢測過程如圖5c所示。檢測后，將μPAD放入裝置托盤，在365 nm激發(fā)光源下激發(fā)。智能手機被放置在盒子的頂部，通過觀察孔捕捉到平板的熒光信號。

在最佳條件下，用mCD-μPAD適配體傳感器對SMZ、OTC和CAP進行可視化檢測。如圖5d-5f所示，隨著標準樣品中SMZ、OTC和CAP濃度的增加，rCDs、gCDs和bCDs的熒光強度逐漸恢復。然后，通過顏色識別軟件提取熒光圖像的RGB值，并將其轉(zhuǎn)換為灰度值，通過公式進行計算，相應的檢出限分別為0.47 ng/mL、0.48 ng/mL和0.34 ng/mL。



圖5 便攜式檢測裝置的（a）制備、（b）組成和（c）使用的示意圖；mCD-μPAD適配體傳感器的熒光圖像以及（d）紅、（e）綠和（f）藍檢測區(qū)域的Δ灰度值與對數(shù)的SMZ、OTC和CAP濃度之間的校準曲線 用該方法檢測了水產(chǎn)品中可能存在的磺胺嘧啶（SDZ）、磺胺二甲氧嘧啶（SMS）、四環(huán)素（TC）、恩諾沙星（ENR）和紅霉素（ERY）等幾種常見抗生素。其中，SDZ和SMS是SMZ的結(jié)構(gòu)類似物，TC是OTC的結(jié)構(gòu)類似物。如圖6所示，這些抗生素僅引起較小的灰度值變化。相比之下，SMZ、OTC和CAP可導致相應檢測區(qū)域的顯著增加。



圖6 mCD-μPAD適配體傳感器的特異性和交叉反應性

綜上所述，該研究利用多色熒光發(fā)射N-CDs和MoS?納米片作為FRET供體?受體對，成功構(gòu)建了一種多色熒光納米探針紙基微流控芯片，可同時監(jiān)測3種常用抗生素。使用3D打印便攜設(shè)備和現(xiàn)有的智能手機，可以通過安裝的顏色識別應用程序?qū)崿F(xiàn)熒光圖像的快速捕獲和RGB通道值的即時分析。

通過改變相應的適配體，μPAD可應用于其他抗生素的檢測。在進一步的研究中，將努力分散在微型光學配件的設(shè)計上，以減輕檢測系統(tǒng)的重量和體積，并開發(fā)智能手機應用程序，整合圖像處理和數(shù)據(jù)分析，提高性能?？傮w而言，該紙基傳感器具有試劑消耗低、檢測成本低、制作簡單、靈敏度高、效率高等優(yōu)點，為食品安全與控制的同步監(jiān)測提供了一種很有前途的策略。

審核編輯：劉清