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FBE第三期 | 南开大学王硕团队和天津科技大学王俊平团队:羟基自由基增强碳点荧光淬灭免疫分析法同时检测六种抗生素

日期: 来源:Wiley威立收集编辑:食品生物工程


导读

南开大学王硕团队和天津科技大学食品营养与安全国家重点实验室王俊平团队合成了激发波长为390 nm、发射波长为525 nm的羟基自由基(•OH)敏感碳点(CDs),并以CDs为荧光探针在酶联免疫测定的基础上,引入基于辣根过氧化物酶催化H2O2的•OH增强荧光猝灭检测信号,构建•OH增强无标记荧光猝灭免疫分析(FQIA)方法。与ELISA相比,FQIA将6种广谱抗生素的检测灵敏度提高了2.03-7.8倍;并开发了“六合一”预处理程序,实现了六种广谱抗生素的同时提取和高灵敏度检测。该项研究减少了样品消耗和预处理步骤,缩短了提取时间,提高了检测效率,为新型免疫分析产品的开发和应用以及快速检测行业的发展提供了数据支持。


文章简介

食品安全关系国计民生,而快速检测技术是食品安全保障的重要依据。其中,酶联免疫分析(ELISA)和胶体金免疫层析试剂盒是市场上可实现快速定量和准确定性检测的两种产品。然而面对日益增长的食品安全需求和越来越多的待测靶点,免疫检测技术中多靶点、高通量、高精度的检测方法有待被开发。因此,寻找新的技术突破,开发能够满足食品安全保障需求的技术和产品,是目前快速免疫分析方法需要突破的核心技术问题。

碳点(CDs)作为一类具有优异光致发光(PL)性能的零维(OD)纳米材料,其合成路线宽、原料易获取、环境友好且毒性低。因此CD被认为是生物发光和生物传感器领域的新型通用纳米材料。

近日南开大学王硕团队和天津科技大学食品营养与安全国家重点实验室王俊平团队采用微波法制备了•OH响应性水溶性CD,建立了新型荧光猝灭免疫分析(FQIA),通过用荧光信号代替比色信号,用•OH响应信号补充IFE信号来提高检测灵敏度。同时,整合了氯霉素(CAP)、氟甲氯霉素(FLR)和4种硝基呋喃代谢物的预处理方法,并开发了 “六合一”预处理程序,与FQIA相结合,可实现在一个样品中同时提取和检测六个靶标。

该工作在Food Bioengineering上以题为“Hydroxyl radical enhanced carbon dots fluorescence quenching immunoassays for simultaneous detection of six kinds of antibiotics”发表(DOI:10.1002/fbe2.12031)。

我们摘取了文章里的几部分内容重点向大家介绍:


   1.CD的表征和稳定性评估

利用TEM、FT-IR光谱和荧光光谱以表征CDs(图1)。带有绿色荧光的棕色CD在TEM图像中显示出良好的色散(图1a)。FT-IR光谱结合透射电镜中清晰的点结构,证明以柠檬酸和尿素为原料的CDs成功合成(图1b)。根据3D荧光扫描图,CD的最大激发波长为390 nm,最大发射波长为525 nm(图2a)。
在最佳条件下评估CD的荧光特性(图1d)。选择0.01–5 ng/ml CD测量390 nm激发光下的荧光光谱,525 nm处的明显荧光峰不随浓度移动,荧光强度随浓度增加线性增强,证明CD具有作为荧光探针的潜力(图1e)。此外,在室温下储存6个月后,CD的荧光基本保持稳定,证明CD满足实际应用条件(图1f)。

图1 碳点 (CD)的表征。(a) CD的透射电子显微镜图像和可见光下结果,(b)CD的FT-IR光谱,(c)CD的激发-发射图,(d)不同浓度CD的荧光光谱,(e)荧光强度与CD浓度之间的线性关系,以及(f)CD的稳定性评估。

   2.荧光猝灭系统的构建

进一步建立了CDs/oxTMB的荧光猝灭体系。CD的激发光谱几乎与oxTMB的吸收光谱重叠(图2a)。当oxTMB的OD值在0–2.4范围内时,OD值随HRP浓度的增加而线性增加,添加低浓度的CD(0.04–0.63 ng/ml)对溶液吸光度值及其趋势没有显著影响(图2b)。

当CD浓度固定在0.31 ng/ml,测量oxTMB对CD的淬灭能力,结果如图2c所示。当吸光度值在0.067–1.092范围内时,oxTMB对CD荧光的猝灭能力随OD值呈对数增加,为了探究这种增加是否由于过氧化物酶(HRP)催化H2O2期间产生的活性氧(如•OH)对CD荧光的猝灭作用,在催化反应20分钟后将CD加入溶液中,并立即测量其荧光强度,结果发现oxTMB对未参与催化反应的CD的猝灭能力与OD值线性相关。通过酶促反应动力学数据进一步分析oxTMB的产生趋势和CD荧光的猝灭趋势(图2d),发现在任何HRP浓度下,酶促反应早期的CDs荧光猝灭速率(即斜率)都远高于酶促反应后期,这也确定•OH对CD荧光猝灭的贡献是提高FQIA灵敏度的重要因素之一。


图2 荧光淬灭系统的可行性分析。(a)碳点(CD)的荧光激发和发射光谱以及oxTMB的吸收光谱。(b) 吸光度值与辣根过氧化物酶浓度之间的线性关系。(c)CD的淬灭荧光强度与oxTMB的吸光度值之间的对数关系。(d) 荧光猝灭系统的酶促反应动力学结果。

   3.荧光猝灭免疫传感检测(FQIAs)的建立

     呋喃唑酮(AOZ)、呋喃它酮(AMOZ)、呋喃妥因(AHD)、呋喃西林(SEM)、氯霉素(CAP)和氟甲氯霉素(FLR)是动物源性样品中常见的残留代谢物,以这六个靶标为模型,建立了基于比色和荧光信号的标准曲线(图3)。在优化条件下,建立了基于HRP的FQIAs标准曲线:|F0–Fx|根据目标浓度的对数绘制值(F0和F分别表示无目标孔和目标加标孔的荧光强度)。随后,表1总结了AOZ、AMOZ、AHD、SEM、CAP和FLR的ELISA和FQIA的LOD和LOQ,并将FQIA示意图在图4进行了汇总。


表1 六个目标的ELISA和FQIA的LOD和LOQ汇总

图3 通过ELISA和FQIA定量检测(a)AOZ,(b)AMOZ,(c)AHD,(d)SEM,(e)CAP和(f)FLR在370 nm/530 nm的激发/发射下的荧光。

图4 FQIA示意图。(a)CD荧光探针的制备方法。(b)FQIA的测试程序。

   4.样品分析

动物源性食品中通常存在不止一种污染物,为了减少样品制备程序,优化了AOZ、AMOZ、AHD、SEM、CAP和FLR等六种微量污染物的预处理过程,只需一批次处理即可实现这六个目标的同时高效提取。将不同浓度的AOZ、AMOZ、AHD、SEM、CAP和FLR添加到猪肉、鸡肉、清江鱼、鲫鱼、扇贝和虾样品中(n = 20)混合并在4°C下放置过夜,通过FQIA和商业ELISA试剂盒提取并检测目标,结果如表2和3所示。

表2 ELISA试剂盒与拟议的CIA和FQIA用于检测加标动物源食品样品中的AOZ、AMOZ和AHD的比较

表3 ELISA试剂盒与拟议的CIA和FQIA用于检测加标动物源食品样品中的SEM、CAP和FLR的比较

与传统ELISA相比,FQIAs的样品检测灵敏度显著提高,CD的引入不影响检测结果的准确性。此外,FQIAs的样品检测结果的准确性与商用ELISA试剂盒的检测结果一致,其中FQIAs对AMOZ、CAP和FLR的检测灵敏度明显优于商用ELISA试剂盒。上述结果表明,FQIAs对动物源性食品样品中AOZ、AMOZ、AHD、SEM、CAP和FRL的定量检测具有可接受的准确度,且只需一个样品即可实现六个靶标的同时提取和检测,为大规模样品筛选提供了便利条件(表4)。

表4 用于测定AOZ、AMOZ、AHD、SEM、CAP或FLR的传感器概述


作者及项目简介

本文第一作者是南开大学李诗洁博士,通讯作者是南开大学王硕教授和天津科技大学食品营养与安全国家重点实验室王俊平教授。本研究得到了国家自然科学基金(No. 32102068)和第68批中国博士后科学基金(Grant No. 2020M680870)的支持。


官网地址

Hydroxyl radical enhanced carbon dots fluorescence quenching immunoassays for simultaneous detection of six kinds of antibiotics


Shijie Li, Linqing Nie, Wenjun Wen, Zicheng Wang, Junping Wang, Shuo Wang


DOI:https://doi.org/10.1002/fbe2.12031


Citation: Li, S., Nie, L., Wen, W., Wang, Z., Wang, J., & Wang, S. (2022). Hydroxyl radical enhanced carbon dots fluorescence quenching immunoassays for simultaneous detection of six kinds of antibiotics. Food Bioengineering, 1-12. 



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关于Food Bioengineering


《食品生物工程(英文)》(Food Bioengineering)创刊于2022年,由华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室和Wiley出版集团共同主办,是聚焦食品生物工程等食品科学与生物工程交叉领域的高水平学术交流平台,创刊主编为赵黎明教授。


官网地址

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/27702081



投稿链接

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