综述：基于肽策略的水生系统中微塑料检测方法研究

这篇综述系统探讨了肽基传感器在微塑料（MPs）检测中的前沿进展，聚焦其特异性结合机制（如疏水/π-π相互作用）与多模态检测技术（如LSPR、EIS、荧光标记），为环境监测提供了高灵敏度（LOD达50 ng/mL）、快速响应（5分钟）的创新解决方案，同时剖析了规模化合成与复杂基质干扰等挑战。

　　

摘要

微塑料（粒径<5 mm）作为海洋和陆地环境中的顽固污染物，其检测面临基质复杂性和小尺寸颗粒识别的双重挑战。近年来，通过蛋白质工程和计算技术设计的微塑料结合肽（MBPs）展现出卓越的特异性、灵敏度和可调结合性能，为微塑料检测开辟了新途径。

1. 引言

1.1 水源中微塑料的丰度与分布

美国环保署（EPA）将微塑料定义为粒径小于5 mm的塑料颗粒，其来源包括个人护理品、合成纤维和大塑料降解产物。国际标准化组织（ISO）进一步将1 μm–1 mm的颗粒归类为微塑料，1–5 mm的颗粒视为大微塑料。低密度聚合物如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）主要富集于海面（分别占42%和25%），而高密度聚酯类在深水区占比高达77%。

1.2 微塑料检测方法

传统技术如傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和拉曼光谱虽能鉴定聚合物类型，但存在设备笨重、灵敏度不足等缺陷。亲和传感器利用酶、抗体或肽等分子探针，通过电化学或光学信号实现实时检测，其优势在于可识别降解微塑料并减少人为误差。

2. 肽作为新型检测方法

2.1 微塑料与肽的相互作用类型

肽与微塑料的结合机制包括：

• 疏水作用：PE/PP通过非极性氨基酸（如亮氨酸）吸附肽链
• π-π堆积：聚苯乙烯（PS）与芳香族氨基酸（如苯丙氨酸）形成稳定复合物
• 静电作用：氧化后带负电的微塑料与带正电精氨酸结合

2.2 肽-聚合物互作案例研究

• 计算模拟：粗粒化模型显示甲硫氨酸对PP的覆盖率达89%
• 融合蛋白技术：锚定肽Tachystatin A2与细菌角质酶Tcur1278融合后，使聚氨酯纳米颗粒降解半衰期从41.8小时缩短至6.2小时
• 量子-经典混合框架：通过变分量子电路（VQC）优化出12氨基酸PET结合肽，结合能提升300%

3. 肽基检测技术新进展

3.1 多模态传感平台

• 荧光标记：肽序列HWGMWSY在3.5%盐水中仍保持对PS/PP的结合活性
• 纳米金比色法：脂皮质素1（LC1）修饰的金纳米颗粒与PP结合后，溶液颜色从红变灰蓝，检测限2.5 μg/mL
• 流式细胞术：Alexa Fluor标记的"塑料抗体"（Plastibody）对PS分选效率>90%
• 微针阵列：金纳米棒修饰的微针通过Au-S键固定肽，结合拉曼光谱实现肠道样本原位检测

3.2 实际应用验证

• 生物样本：小鼠肠道中荧光标记肽成功追踪到100 ppm的PE颗粒
• 海水检测：电化学阻抗谱（EIS）在太平洋水样中实现400 ppb PS的检出，但高离子强度使信号衰减40%

4. 挑战与展望

当前瓶颈包括肽合成成本高（>500美元/克）、交叉反应性（如PS肽对PE结合率达67%），以及复杂基质干扰。未来方向涉及：

• 机器学习辅助设计：PSBinder算法预测结合肽的准确率达82%
• 便携式设备开发：将倾斜光纤光栅（TFBG）与表面等离子共振（SPR）联用，检测限达1 μg/mL
• 多重检测系统：集成4种肽传感器的微流控芯片可同步量化PS/PE/PP/PET

通过融合纳米技术、计算生物学和环境科学，肽基检测策略正逐步突破传统方法的局限，为全球微塑料治理提供精准工具。