《Optical Materials》：α-Amylase-Functionalized Sustainable Gold Nanoparticle Plasmonic Nanointerface for Optical Fiber LSPR-Based Selective Starch Biosensing and Multifunctional Biomedical Applications
编辑推荐：
摘要本文报道了一种基于局部表面等离子体共振技术的可持续光纤生物传感器，该传感器利用大蒜皮废弃物提取物通过绿色合成方法制备出金纳米粒子，这些纳米粒子呈球形（约18纳米），具有优异的稳定性以及强大的等离子体特性。研究采用了经蚀刻处理的单模光纤来增强衰减场的相互作用，随后固定金纳米粒子
摘要
本文报道了一种基于局部表面等离子体共振技术的可持续光纤生物传感器，该传感器利用大蒜皮废弃物提取物通过绿色合成方法制备出金纳米粒子，这些纳米粒子呈球形（约18纳米），具有优异的稳定性以及强大的等离子体特性。研究采用了经蚀刻处理的单模光纤来增强衰减场的相互作用，随后固定金纳米粒子并引入α-淀粉酶以实现分子级别的选择性检测。该生物传感器在1–30微摩尔/升的淀粉浓度范围内表现出与浓度相关的共振波长变化，且线性良好（R2=0.9312），检测下限为3.435微摩尔/升，检测上限为11.453微摩尔/升，灵敏度达185.1纳米/毫摩尔。其工作原理在于酶促水解作用导致传感器界面处的局部折射率发生变化，从而实现选择性检测，同时减少其他生物分子的干扰。所开发的传感器具备良好的重复性和可重复使用性。此外，金纳米粒子还具有显著的抗氧化、抗糖尿病和抗菌活性，显示出其在生物医学领域的多功能潜力。这项研究为淀粉检测提供了一种环保且高效的方法，有望在生物医学诊断和食品分析领域得到应用。
引言
在临床诊断、食品分析、营养科学以及工业生物加工领域中，准确检测和量化碳水化合物尤其是淀粉具有重要意义[1]、[2]。淀粉是一种重要的多糖，也是葡萄糖的关键代谢前体，其水解过程的异常与2型糖尿病等代谢性疾病密切相关[3]、[4]。在生物燃料生产和发酵过程中，实时监测淀粉含量也至关重要[5]、[6]、[7]。尽管这些分析方法非常重要，但传统的分析技术如高效液相色谱法和质谱法存在样品前处理复杂、操作成本高、劳动强度大以及无法实现实时监测等问题。近年来，各种绿色合成纳米粒子的方法引起了人们的关注，尤其是那些利用植物提取物制备的金纳米粒子，它们作为一种可持续且环保的替代品，逐渐取代了传统的化学合成方法[8]、[9]、[10]、[11]。这类绿色方法不仅避免了有毒化学物质的使用，还在纳米粒子表面引入了多种植物化学成分，这些成分可作为天然的还原剂和稳定剂。这种功能化处理有助于后续的生物分子固定，进而开发出具有选择性的生物传感平台[12]、[13]、[14]。最近，基于局部表面等离子体共振的光学传感技术因其无需标记、检测速度快且灵敏度极高而备受重视，成为一种有前景的检测技术[15]、[16]、[17]、[18]。基于光纤的局部表面等离子体共振传感器具有诸多优势，比如结构紧凑的“光纤实验室”设计、不受电磁干扰以及具备远程检测能力[19]、[20]、[21]。其检测机制依赖于衰减场与等离子体纳米结构之间的相互作用，局部折射率的变化会引发可测量的光谱 shift[22]、[23]。然而，传统的单模光纤由于包层较厚，限制了衰减波向周围介质的穿透，从而导致灵敏度较低[24]、[25]。
为克服这些限制，通过可控的化学蚀刻方法对光纤进行结构改造，成为增强衰减场相互作用的有效策略。减小包层直径可以显著提升光纤与分析物界面处的衰减波强度，进而提高传感器的灵敏度[26]、[27]。引入等离子体纳米材料，尤其是金纳米粒子，由于其可调的光学性质、较大的表面积以及良好的生物相容性，能够产生强烈的局部表面等离子体共振响应[28]、[29]、[30]、[31]。值得一提的是，利用天然提取物进行的绿色合成方法为金纳米粒子的制备提供了可持续的途径，这类纳米粒子表面具有特定的功能基团，有助于生物分子的固定[32]、[33]。
基于局部表面等离子体共振的传感技术面临的一个主要挑战是缺乏选择性，因为大多数传感器仅依靠折射率的变化来进行检测。为解决这一问题，基于酶的识别方法受到了广泛关注[34]、[35]、[36]。在此背景下，α-淀粉酶是一种极具选择性的生物识别物质，它能够选择性地结合淀粉并将其水解为较小的寡糖。这种酶促反应会导致局部折射率发生变化，进而增强局部表面等离子体共振信号的调控效果[37]、[38]、[39]、[40]。
本文介绍了利用大蒜皮废弃物提取物绿色合成金纳米粒子的方法，并在此基础上开发出一种高灵敏度且具有高度选择性的基于局部表面等离子体共振的光纤生物传感器，用于淀粉的检测。该传感器是通过控制氢氟酸对单模光纤进行蚀刻来增强衰减场相互作用，随后在光纤上沉积金纳米粒子作为等离子体传感层。最后，再在金纳米粒子表面引入α-淀粉酶，以实现分子级别的选择性检测。光纤工程、等离子体纳米结构以及酶促识别技术的协同应用，使得可以通过局部表面等离子体共振光谱中的波长变化实现淀粉的实时监测。此外，还利用气相色谱-质谱联用技术对大蒜皮废弃物提取物进行了分析，以确定其中的植物化学成分。同时，也对金纳米粒子的抗氧化、抗糖尿病和抗菌活性进行了研究，以评估其在生物医学领域的应用潜力，进一步凸显了其多功能性。此外，金纳米粒子的抗菌性能还有助于防止传感器界面处的生物污染，避免非特异性吸附，从而在复杂的样本环境中保持稳定的折射率条件，确保局部表面等离子体共振检测的准确性。
内容节选
材料
研究中使用了磷酸二钠和磷酸一钠、盐酸、抗坏血酸、氢氧化钠、碳酸钠、甲醇、钼酸铵四水合物，以及用于检测抗氧化活性的2,2-二苯基-1-苦基肼。用于检测抗糖尿病活性的试剂包括3,5-二硝基水杨酸、4-硝基苯-β-D-吡喃葡萄糖苷、淀粉、α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和阿卡波糖；用于检测抗菌活性的则有营养琼脂和环丙沙星。硫酸、盐酸、硝酸
GC-MS分析
通过对大蒜皮废弃物提取物进行GC-MS分析，共检测出了42种具有生物活性的植物化学成分，它们属于不同的化学类别，如硫化合物、酯类、酮类以及杂环衍生物，具体信息见表1。在所有检测到的化合物中，含量最高的是二烯丙基二硫化物（10.78%），其次是丙烯酸衍生物（5.26%）和1,1-二乙氧基戊烷（4.24%），这表明该提取物中含硫化合物和酯类成分占主导地位。有机硫化合物
结论
本研究成功开发出一种经过α-淀粉酶功能化的金纳米粒子涂层蚀刻光纤生物传感器，可用于高选择性地检测淀粉。通过采用绿色合成方法制备金纳米粒子，并将其应用于经蚀刻处理的单模光纤上，大大增强了局部表面等离子体共振响应，提升了衰减场相互作用的强度。所开发的传感器具备可靠的浓度依赖性检测功能，灵敏度为185.1纳米/毫摩尔，检测下限为3.435微摩尔/升，检测上限为11.453微摩尔/升，具有较高的选择性和可重复使用性。
作者贡献说明
Vishwajeet Bachhar：负责原始稿件撰写、方法设计以及概念构思。Kuldeep Choudhary：负责稿件审阅与编辑、项目监督以及整体概念构思。Vibha Joshi：负责稿件审阅与编辑以及实验研究工作。Sakthivel Kogularasu：负责稿件审阅与编辑以及项目监督工作。Guo-Ping Chang-Chien：负责项目监督以及项目管理工作。Manisha Duseja：负责项目管理工作。Jen-tai Lin：负责正式分析工作。Yung-Lung Chen：也负责正式分析工作。Santosh Kumar：负责结果验证以及项目监督工作。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
Vishwajeet Bachhar|Kuldeep Choudhary|Vibha Joshi|Sakthivel Kogularasu|Guo-Ping Chang-Chien|Manisha Duseja|Jen-tai Lin|Yung-Lung Chen|Santosh Kumar
台湾高雄市833301，成秀大学环境毒素与新兴污染物研究中心
