基于 UiO-67@MIP 的双模式水凝胶微流控芯片用于食品基质中脂多糖的即时检测

《Microchemical Journal》：Dual-mode hydrogel microfluidic chip based on UiO-67@MIP for point-of-care detection of lipopolysaccharide in food matrices

　　UiO-67@MIP 纳米酶可实现对脂多糖（LPS）的特异性、高灵敏度检测（检测限 0.059 μg/L）。双模式芯片提供智能手机比色检测和无需仪器的距离读数。水凝胶和 MIP 层可抑制复杂食品基质中的蛋白质/脂质干扰。UiO-67@MIP 具有良好的可重复使用性和长期储存稳定性。低成本即时检测（POCT）平台已在血清、牛奶和肉类提取物中得到验证（对比 LAL）。## 引言脂多糖（LPS）是革兰氏阴性菌外膜的主要成分，是一种耐热内毒素，常见于受污染的食品中，如生牛奶、肉类、海鲜和饮料 [1], [2]。摄入受 LPS 污染的食物会引发炎症反应并造成重大的健康风险，这使得 LPS 成为食品行业卫生质量和微生物安全的关键指标 [3]。对快速、现场食品安全筛查日益增长的需求，突显了对能够在复杂食品基质中直接检测 LPS 的简单、便携且经济实惠的分析方法的迫切需求。目前 LPS 检测的金标准是鲎阿米巴细胞裂解液（LAL）测定法，虽然具有 high sensitivity，但存在若干阻碍其在食品安全工作流程中部署的关键局限性。首先，该测定法依赖鲎血液，这是一种不可再生的生物资源，既引发了伦理担忧，又导致供应不稳定 [4], [5]。其次，LAL 测定法极易受到食品成分（如脂肪、蛋白质、pH 值变化和表面活性剂）的基质干扰，往往由于内毒素回收率低而导致假阴性结果 [6]。第三，该方法需要基于实验室的仪器和经过培训的人员，使其不适合现场部署。基于天然酶（如辣根过氧化物酶）的比色法提供了一种替代方案，但它们通常受限于酶稳定性差、成本高以及在复杂食品基质中易受蛋白酶降解 [7], [8]。这些共同的缺点突显了对一种抗干扰、无需仪器且适用于现场的 LPS 检测平台的未满足需求。为应对这些挑战，我们提出了一种双模式传感策略，该策略集成了三项功能创新：（i）一种作为识别 - 催化探针的分子印迹聚合物（MIP）涂层金属有机框架（MOF）纳米酶，（ii）一种用于试剂限制和信号定位的嵌入水凝胶的微流控芯片，以及（iii）一种用于无需仪器定量读数的光热 - 机械转导机制。纳米酶，特别是 UiO-67 等 MOFs，已成为具有卓越催化稳定性、可调节结构和内在过氧化物酶活性的稳健过氧化物酶模拟物 [8], [9]。当与 MIPs 集成时，MIPs 提供与目标分子互补的特异性识别空腔（该方法已成功应用于基于布/纸的微流控芯片检测 gonyautoxin [10] 和基于纸芯片的非荧光微囊藻毒素传感 [11]），所得的 MOF@MIP 复合材料结合了高选择性与催化功能 [12]。然而，大多数现有的基于 MOF@MIP 的传感器是为液相使用设计的，仍需外部光谱仪器，这限制了其在现场食品分析中的实用性。水凝胶最近作为嵌入微流控设备中传感成分的理想基质受到了关注，能够实现局部反应和视觉读数 [13], [14]。此外，某些反应产物（如氧化型 TMB (oxTMB)）的光热特性允许将比色信号转换为热驱动机械响应，从而在没有电子设备的情况下实现直观的距离读数 [15]。这一概念对于资源有限环境下的即时检测（POCT）特别具有吸引力，建立在基于微器件的光学诊断 [16] 和基于纸的微流控免疫分析 [17] 的最新进展之上。同时，大量的努力致力于开发用于食品和环境基质中有害离子和污染物的荧光和比色化学传感器，包括用于 Hg2+ [18], [20] 和 Cu2+ [22] 的荧光探针、基于介孔 SBA-15 的传感平台 [19] 以及用于 CN? [21] 和 Ag+ [23] 的化学传感器，这进一步强调了对简单、低成本且适用于现场的光学传感平台的需求。在此，我们报道了一种完全集成的微流控芯片，该芯片结合了 UiO-67@MIP 和 PEG-DA 水凝胶，用于 LPS 的双模式（比色和基于距离）检测。## 章节摘要### 材料与仪器材料和方法的详细信息见补充信息。### UiO-67 的合成参考 KO 等人 [24] 的工作，UiO-67 通过水热法合成。将 H?BPDC（85 mg, 0.35 mmol）、苯甲酸（1.28 g, 0.5 mmol）和 ZrCl?（82 mg, 0.35 mmol）的固体混合物溶解在 20 mL DMF 中，并置于 20 mL 小瓶中。将小瓶密封并在 120 °C 的烤箱中加热 48 小时，得到八面体晶体。然后将反应混合物冷却至室温。所得的### UiO-67 和 UiO-67@MIP 的表征为了制备 MIP，本研究首先按照先前报道的方法合成了 UiO-67 材料。通过扫描电子显微镜（SEM）表征（图 1a-b）显示，合成的 UiO-67 具有规则的八面体形态。研究表明，UiO-67 的晶体尺寸和形态受合成条件显著影响：反应温度的升高通常加速晶体生长，导致晶体尺寸增大。当反应### 结论总之，本研究成功开发了一种双模式微流控传感平台，用于脂多糖（LPS）的快速、现场检测，该平台基于 UiO-67@MIP 对 LPS 的特异性识别及其对 TMB 的过氧化物酶样催化活性的抑制。该平台集成了基于智能手机的比色检测和无需设备的基于距离的温度计读数，提供了小型化、便携性、低成本以及优异的可重复使用性和储存稳定性。### CRediT 作者贡献声明**Hui Ling:** 方法论，概念化。**Liuyue Xiao:** 写作 – 审查与编辑，数据管理。**Tianhao Li:** 可视化。**Yanjing Yang:** 监督。**Shian Zhong:** 监督。## 竞争利益声明作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。## 致谢这项工作得到了国家自然科学基金（编号 22278445）的支持。Hui Ling|Liuyue Xiao|Tianhao Li|Yanjing Yang|Shian Zhong