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北航蔡仲雨教授團(tuán)隊(duì)《Biosens. Bioelectron.》：光子晶體乙酰膽堿酯酶凝膠傳感器高效檢測(cè)有機(jī)磷化合物
2024-10-14  來源：高分子科技

  二維光子晶體 (2D PC ) 傳感器由于其成本低、靈敏度高、便攜性好、無標(biāo)記等特點(diǎn)，在過去的幾十年里受到了廣泛的關(guān)注。迄今為止，二維光子晶體水凝膠傳感器已經(jīng)被開發(fā)用于檢測(cè)許多類型的物質(zhì)，例如尿素、抗生素、葡萄糖、蛋白質(zhì)、微生物等。其中，許多研究致力于制造用于OP化合物檢測(cè)的二維光子晶體傳感器。然而，這些OP水凝膠傳感器存在制備步驟繁瑣、接枝效率低、應(yīng)用場(chǎng)景有限等問題，尤其是在干燥，高（低）溫條件下，傳感器極其容易失效，所以需要進(jìn)一步的研究和探索。


  對(duì)此，北京航空航天大學(xué)蔡仲雨教授團(tuán)隊(duì)采用將乙酰膽堿酯酶（AChE）固定在牛血清白蛋白（BSA）上開發(fā)了一種簡單的二維光子晶體（2D PC）水凝膠，用來有效定量測(cè)定OP化合物，例如典型的OP農(nóng)藥敵百蟲和具有代表性的OP神經(jīng)毒劑模擬物DMPP（圖1a）。由于AChE和OP化合物之間的特定相互作用 (圖 1b)，OP化合物很容易與水凝膠結(jié)合，觸發(fā)凝膠的體積相變并導(dǎo)致2D PC明顯的德拜衍射環(huán)直徑變化。所制備的水凝膠傳感器對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥敵百蟲和有機(jī)磷神經(jīng)毒劑模擬物甲基膦酸二乙酯 (DMPP) 的檢測(cè)限 (LoD) 分別為 2.23 nM 和 0.07 nM。在此基礎(chǔ)上，利用溶劑交換策略可以輕松制備響應(yīng)性有機(jī)水凝膠，以滿足惡劣環(huán)境中的應(yīng)用和對(duì)非水溶性OP化合物的檢測(cè)要求。有機(jī)水凝膠傳感器對(duì)敵百蟲和 DMPP 的檢測(cè)限分別為 0.70 μM 和 4.46 μM。這項(xiàng)工作為開發(fā)下一代穩(wěn)定、低成本、便攜式現(xiàn)場(chǎng)傳感設(shè)備提供了新的啟發(fā)。


圖1. 2D PC AChE/BSA水凝膠和有機(jī)水凝膠的檢測(cè)機(jī)理


  研究團(tuán)隊(duì)首先觀察了原始2D PC和2D PC AChE /BSA蛋白質(zhì)水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。圖2a 顯示了有序的2D PC的SEM圖像，它們是制造2D PC水凝膠傳感器的優(yōu)秀模板。圖2b和c 分別表示凝膠化后2D PC的周期性仍然可以保持完整以及可以賦予2D PC不同的顆粒間距由于水凝膠的膨脹/收縮。圖2d顯示了具有鮮艷彩虹色的2D PC AChE/BSA蛋白水凝膠。


圖2. 2D PC及2D PC AChE/BSA蛋白質(zhì)水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)及實(shí)物照片


  根據(jù)傳感機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)首先通過改變AChE含量來優(yōu)化2D PC AChE/BSA水凝膠傳感器的響應(yīng)性能（圖3a）。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了2D PC AChE/BSA -0.02水凝膠傳感器良好的靈敏度，高選擇性（在各種農(nóng)藥中可以特異性檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥）以及復(fù)雜環(huán)境（不同溫度、濕度、光照等條件下）穩(wěn)定性（圖3）。


圖3. 2D PC AChE /BSA -0.02水凝膠的優(yōu)化及傳感特性


  為了進(jìn)一步拓展水凝膠傳感器的應(yīng)用溫度范圍和應(yīng)用場(chǎng)景, 通過使用水和有機(jī)溶劑混合物作為流動(dòng)相，2D PC AChE/BSA-0.02水凝膠傳感器可以進(jìn)一步定制。所得2D PC AChE/BSA -0.02有機(jī)水凝膠傳感器對(duì)于有機(jī)磷化合物DMPP的傳感性能也被驗(yàn)證（圖4）。 光子晶體有機(jī)水凝膠的使用使得制備可穿戴傳感器檢測(cè)有機(jī)磷氣體成為可能，而無需嚴(yán)格的封裝條件。


圖4. 2D PC AChE /BSA -0.02有機(jī)水凝膠的傳感特性


  研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步表征了AChE/BSA-0.02水凝膠傳感器及有機(jī)水凝膠傳感器。通過冷凍電鏡測(cè)試可以推測(cè)有機(jī)水凝膠較小的空隙及減少的串珠結(jié)構(gòu)可能是AChE/BSA有機(jī)水凝膠的傳感性能遜色于AChE/BSA水凝膠的原因。通過熒光光譜可以推測(cè)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，導(dǎo)致有機(jī)水凝膠中酶活性的喪失。而酶活性測(cè)試結(jié)果與傳感器的體積變化響應(yīng)、Cyro-EM 圖像和熒光光譜互為佐證（圖5）。相關(guān)成果以“Two-dimensional photonic crystal acetylcholinesterase hydrogel and organohydrogel sensors for efficient detection of organophosphorus compounds”為題發(fā)表在Biosensors and Bioelectronics，2024， DOI: 10.1016/j.bios.2024.116845.


圖5. AChE/BSA水凝膠及有機(jī)水凝膠的冷凍電鏡，熒光光譜及酶活性測(cè)試結(jié)果


  上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家青年人才項(xiàng)目、陜西省科技資源開放共享平臺(tái)項(xiàng)目等的資助。北京航空航天大學(xué)博士研究生趙芳媛是論文第一作者，蔡仲雨教授為論文的通訊作者，延安大學(xué)張玉琦老師為本工作的共同通訊作者。該工作也得到清華大學(xué)危巖教授的指導(dǎo)和清華大學(xué)國家蛋白質(zhì)中心的支持。


  全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566324008522

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