【Biosens.Bioelectron】基于协调自组装仿生纳米酶的双信号输出纸传感器用于生物标志物的即时检测

基于协调自组装仿生纳米酶的双信号输出纸传感器用于生物标志物的即时检测
Biosensors and Bioelectronics ( IF 12.545 ) 

Pub Date : 2022-08-28

DOI: 10.1016/j.bios.2022.114656

纸质床旁(POC)设备具有简单、快速、尺寸小、成本低等优点，这对于食品安全、生物分析和医学诊断尤其重要。然而，用于制造纸质POC的材料很少会产生多个信号，从而阻碍了在各种情况下的进一步应用。在这里，我们提出了一种吸引人的方法，即比色温度双信号输出传感器(CTDSS)，并构建了一个基于协调自组装仿生纳米酶Fe-GMP-L-HisCPNs的CTDSS作为概念证明。这些CPN模拟辣根过氧化物酶（HRP）的结构，其中Fe（II）是中心，核苷酸GMP和组氨酸被选为配体，分别模拟吡咯环的金属配位和HRP中的蛋白质功能，H2O2转化为•OH氧化TMB产生比色-温度双信号。

作为概念验证应用，以胆固醇为靶点，并成功应用该CTDSS检测胆固醇，显示出快速、显着特异性和高灵敏度的非凡特征。通过使用比色测试条和温度变色贴纸，构建了纸质POC工具以可视化目标。同时，提出的两种产生不同信号输出的试纸POC装置表现出显着的可行性，并进一步用于检测人血清中的胆固醇，预计这个CTDSS平台将激发未来便携式检测工具的创新概念。

方案 1：(a) 用于模拟 HRP 的协调自组装仿生纳米酶Fe-GMP-L-His CPNs的合理设计。(b) 构建基于CPNs的CTDSS，用于具有比色和温度双信号的胆固醇试纸 POC 可视化。

在各种情况下快速检测和量化目标，包括专业实地考察和家庭自我测试，对于食品安全、生物分析和医学诊断至关重要。POC设备具有简单、快速、紧凑的尺寸和低成本的优势，提供了前所未有的机会。特别是纸质分析仪器已广泛应用于疾病诊断、环境分析、食品安全等各个领域的POC检测。由于其众多吸引人的特性，包括减少试剂使用量、易于操作、易于阅读和成本低廉，这些纸质设备更适合在家中使用，并且家庭用户可以负担得起。

然而，纸基设备中使用的大多数材料只能提供单一信号，无法防止操作环境和环境不稳定等随机因素造成的干扰，从而限制了其准确性、可信度和应用范围。双输出信号的传感器不仅可以通过信号的自校准提供更令人信服和准确的结果，而且具有出色的抗干扰能力。因此，产生双信号的技术和材料电缆将有利于纸质POT设备满足各种复杂环境的更多需求（参见方案1）。

包含金属元素的纳米材料构成了一类重要的非均相催化剂。在过去的几十年里，已经进行了大量的研究工作来研究它们在许多领域的应用，例如储能、化学合成,环境修复、分子传感、生物成像和治疗。广泛的纳米催化剂，例如纳米酶、光催化剂和电催化剂已经开发，由于纳米化学的最新进展而发展。纳米酶是具有类酶功能的纳米材料，由于其无与伦比的廉价成本、卓越的活性和良好的稳定性，一直是研究的主题。

例如，许多铁基纳米材料可以作为HRP的模拟物，催化H2O2产生•OH用于氧化底物，例如3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB),2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonicacid)二铵盐（ABTS）、鲁米诺等。其中，TMB的氧化导致近红外吸收显着增加，颜色由无色变为蓝色，氧化产物难以将吸收的光能转化为荧光信号，具有理想的热转换能力。因此，模拟过氧化物酶可以调节TMB-H2O2的颜色变化和光热效应，从而展示了构建具有比色和温度双输出信号的POC设备的潜力。然而，目前一些制备纳米酶的方法仍然需要复杂的程序、苛刻的条件和危险的有机溶剂。为满足便携式设备的要求，用于传感的模拟过氧化物酶纳米酶的制备应避免复杂的制备程序和有毒成分。

天然HRP由血红素和蛋白质组成，其催化活性取决于它们牢不可破的协作。HRP催化过程的核心成分血红素是一种含铁的原卟啉化合物，Fe与吡咯环的N原子形成配位。受HRP分子结构的启发，旨在设计金属结合基序来模拟吡咯环的金属配位，从而制造出模拟HRP催化活性的复杂生物结构的简化版本。在最近的研究中，生物分子配体核苷酸已被用作超分子基序以形成核苷酸/金属配位聚合物纳米粒子(CPN)。这些结果表明核苷酸是一种很有前途的结构基序，用于模拟酶中金属离子的配位。此外，蛋白质中的组氨酸在天然HRP中发挥多种作用，通过与血红素中的铁的非共价相互作用提供理想的结合位点并参与氧化事件。

因此，在此利用核苷酸GMP和组氨酸作为配体，以Fe(II)为中心，描述了一种创建新型协调自组装仿生纳米酶CPNs的一锅法。由于GMP将大部分Fe保持在氧化态，这些Fe-GMP-L-HisCPNs显示出有效的过氧化物酶样能力并成功催化H2O2的转化对•OH种族。此外，该系统可以氧化TMB，产生显着的比色信号和光热效应。此功能使我们能够创建具有快速灵敏定量优势的比色-温度双信号输出传感器(CTDSS)。作为概念验证应用，我们将此CTDSS应用于通过与胆固醇氧化酶(ChOx)偶联来超灵敏和快速检测胆固醇。

CPNs的超高催化活性增强了CTDSS中的信号增益，使胆固醇的检测限低至0.05μM。此外，还制作了用于POC检测胆固醇的比色试纸和温度变色贴纸。据我们所知，这是首次尝试将双信号输出用于纸质POC工具包（比色法和温度）来检测胆固醇，从而实现了一种操作简单、成本低且可操作的生物分析和疾病诊断方法。基于配位自组装仿生纳米酶的比色信号和光热效应的CTDSS将扩展到试纸上各种目标的POC检测。