基于Mn順磁弛豫和納米催化的多信號(hào)生物傳感器開(kāi)發(fā)

具有一個(gè)或多個(gè)未成對(duì)電子的Mn順磁離子具有出色的弛豫系數(shù)，其在水溶液中穩(wěn)定，可通過(guò)氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)換多種價(jià)態(tài)，從而克服了傳統(tǒng)磁弛豫開(kāi)關(guān)傳感器穩(wěn)定性低（受食物基質(zhì)和自然沉降的干擾）和工作范圍窄（小分子結(jié)合位點(diǎn)有限）的缺陷。Mn(II)順磁性離子（3d?，S=5/2）被廣泛用作磁共振成像的造影劑，具有較大的弛豫系數(shù)。

相比之下，MnO?NPs納米顆粒（晶格：八面體結(jié)構(gòu)）中的Mn原子與六個(gè)O原子配位，因此與水質(zhì)子接觸的概率較低，導(dǎo)致MnO?NPs納米粒子具有弱弛豫性。然而抗壞血酸能迅速裂解MnO?NPs納米顆粒并釋放出Mn(II)，從而顯著提高弛豫性。因此，可以構(gòu)建基于順磁離子價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換的弛豫傳感系統(tǒng)。

諾如病毒（NoV）俗稱“冬季嘔吐病”，是急性病毒性腸胃炎的主要病因。諾如病毒具有高度傳染性，食源性NoV爆發(fā)與食用受糞便污染的生貝類、漿果和即食食品有關(guān)。此外，開(kāi)放的食品跨境貿(mào)易政策也促進(jìn)了全球疫情的爆發(fā)。因此，在食物攝入前檢測(cè)NoV病毒對(duì)于預(yù)防NoV感染具有相當(dāng)大的潛力。

近期，上海理工大學(xué)劉寶林教授團(tuán)隊(duì)與軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院環(huán)境醫(yī)學(xué)與作業(yè)醫(yī)學(xué)研究所高志賢研究員團(tuán)隊(duì)合作，報(bào)道了一種基于Mn順磁弛豫和納米催化的多信號(hào)生物傳感器來(lái)檢測(cè)NoV病毒的方法。該雙模態(tài)傳感平臺(tái)利用抗壞血酸裂解Au@MnO?NPs納米顆粒產(chǎn)生的強(qiáng)弛豫系數(shù)及其固有的酶樣活性實(shí)現(xiàn)了諾如病毒的檢測(cè)。還發(fā)現(xiàn)在弛豫信號(hào)放大試劑tpps-β-CD（r1=12.56/mM/s）的輔助下，可以顯著提高檢測(cè)的靈敏度。相關(guān)成果以“Multi-signal Biosensors Based on Mn ParamagneticRelaxation and Nanocatalysis for Norovirus Detection”為題發(fā)表在國(guó)際化學(xué)權(quán)威雜志Analytical Chemistry上。

具體而言，研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于Mn順磁弛豫和納米催化的多信號(hào)方法來(lái)靈敏檢測(cè)諾如病毒。這種雙模態(tài)傳感平臺(tái)是基于抗壞血酸裂解的Au@MnO?NPs納米顆粒產(chǎn)生的高弛豫率系數(shù)及其固有的酶樣活性。以諾如病毒基因組中最保守區(qū)域（ORF1-ORF2連接處）的cDNA序列為識(shí)別目標(biāo)物（cDNA_NoV），聚苯乙烯包裹的磁性納米顆粒（MNP@PSNPs）和Au@MnO? NPs納米顆粒通過(guò)與分子探針功能化，可用于捕獲cDNA_NoV來(lái)構(gòu)建順磁弛豫傳感平臺(tái)?？箟难崮苎杆倭呀釧u@MnO? NPs 納米顆粒的MnO?層，釋放出Mn(II)。其具有強(qiáng)順磁性（3d5，S=5/2），顯示出較強(qiáng)的電子自旋馳豫，產(chǎn)生較大的弛豫率系數(shù)，從而使弛豫模式處于“開(kāi)啟”狀態(tài)。

相比之下，Au@MnO? NPs納米顆粒表現(xiàn)出較小的弛豫率系數(shù)。因此，晶體結(jié)構(gòu)的Au@MnO? NPs納米顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤籂顟B(tài)的Mn(II)，會(huì)直接產(chǎn)生弛豫信號(hào)的變化。此外，Au@MnO? NPs納米顆粒還能模擬“過(guò)氧化物酶樣”和“氧化酶樣”活性，催化無(wú)色的TMB氧化成藍(lán)色的oxTMB。因此，目標(biāo)物含量可以通過(guò)比色法定量。

用于檢測(cè)諾如病毒的多信號(hào)生物傳感器原理圖



不同價(jià)態(tài)Mn順磁離子的弛豫特性

T1/T2弛豫信號(hào)放大試劑的篩選

牡蠣樣品的分析

綜上所述，為檢測(cè)NoV，研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于Mn順磁弛豫和納米催化的多信號(hào)生物傳感器。其中，弛豫模式是基于Mn(II)順磁性離子優(yōu)異的弛豫特性、靈敏且不受光線干擾。比色模式是基于Au@MnO? NPs固有的催化活性使底物顯色，在未來(lái)可開(kāi)發(fā)出NoV的POCT診斷設(shè)備。

在弛豫模式中，T2信號(hào)比T1信號(hào)對(duì)Mn(II)濃度更敏感，tpps-β-CD復(fù)合物增加了Mn (II) 順磁性離子的r1（12.56/mM/s），但降低了r2（18.81/mM/s）。使用tpps-β-CD復(fù)合分子作為弛豫信號(hào)放大試劑提高了方法的靈敏度和檢測(cè)范圍。此外，RT-RPA輔助弛豫/比色法可進(jìn)一步提高靈敏度（LOD：10 copies/mL），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)食品樣品中NoV的超靈敏檢測(cè)。然而，這一過(guò)程需要額外的擴(kuò)增反應(yīng)時(shí)間（~ 20 min）。

論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c03950

審核編輯：劉清