基于Co MOF@Au NPs纳米酶的靶标诱导置换辅助比色适配体传感器用于四环素检测

《Talanta》：A target-induced displacement-assisted colorimetric aptasensor for tetracycline detection based on Co MOF@Au NPs nanozymes

　　

摘要

牛奶中残留的土霉素（TC）对食品安全和人类健康构成潜在风险，迫切需要开发快速、可靠的检测策略。本文组装了一种基于靶标诱导置换（TID）的比色法适体传感器，利用类氧化酶（OXD）纳米酶实现对TC的灵敏检测。通过简便的两步策略合成了花状金纳米粒子修饰的钴基金属-有机框架（Co MOF@Au NPs），该材料具有优异的结构稳定性和对TMB氧化的催化活性。活性氧物种分析证实单线态氧（¹O₂）是催化过程中的主要活性氧物种。得益于Co MOF@Au NPs增强的类OXD催化性能和较高的底物亲和力（比活性为34.32 U/mg），利用适体功能化的磁珠作为捕获探针、cDNA修饰的Co MOF@Au NPs作为信号探针制备了竞争型比色适体传感器。在TC存在时，探针释放可产生浓度依赖的比色响应。在最佳条件下，该传感器实现了宽线性范围（60-240 nM）和低检测限（18.09 nM），同时对常见干扰物表现出优异的抗干扰性。此外，通过在牛奶样品中的实际应用验证，回收率较高，为食品安全应用中抗生素残留的监测提供了一种可靠且经济的方法。

引言

土霉素（TC）是一种经典的广谱抑菌型抗生素，广泛应用于畜牧业疾病防治领域[1,2]。然而，TC的滥用已严重引起人们对农产品质量的关注，尤其是对牛奶。食用受TC污染的牛奶可能引发一系列不良反应，包括超敏过敏反应、肝损伤和胃肠道疾病等[3,4]。传统分析方法，包括高效液相色谱法（HPLC）和液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS），可提供TC残留的准确可靠定量[5,6]。然而，这些技术通常需要精密仪器、复杂的预处理步骤和耗时的分析过程。因此，开发用于复杂食品基质中TC快速、灵敏、经济的检测方法仍然非常迫切。

适体（Apt）因其高亲和力、优异的特异性和简便的合成，已被广泛用作检测平台中的分子识别元件[7,8]。这些短的单链核酸折叠成特定的三维结构，以高特异性结合TC，从而组装成靶标特异性生物传感系统。目前，基于纳米酶的适体传感器因其操作简便和适应实时监测的特点而备受关注[[9], [10], [11], [12], [13]]。在各种纳米酶中，金属-有机框架（MOFs）具有可调结构、大比表面积和丰富的活性位点，展现出有前景的催化性能。已建立了多种基于MOF纳米酶的传感系统用于TC的检测，通过TC与MOF之间的电子转移实现[[14], [15], [16]]。然而，TC可与由对苯二甲酸配体构建的MOFs相互作用，这可能引入非特异性催化响应并影响分析准确性。靶标与纳米酶之间的直接相互作用会显著影响传感器的准确性和选择性，尤其在复杂食品基质中。

为减轻这种潜在干扰，选取钴基MOFs（Co MOF）作为纳米酶探针，由含钴金属节点和2-甲基咪唑组装而成。得益于Co²⁺/Co³⁺高效氧化还原循环，Co-MOF展现出卓越的类氧化酶（OXD）活性，有利于活性氧物种（ROS）的生成[[17], [18], [19], [20]]。更重要的是，引入了靶标诱导置换（TID）策略，以最小化TC对催化中心的非特异性相互作用。在该设计中，固定在纳米酶表面的互补DNA（cDNA）可与磁珠（MB）上锚定的适体杂交。当TC存在时，适体优先结合靶标分子，导致cDNA功能化的纳米酶探针解离。该方法不仅通过MOF表面形成刚性的适体-cDNA双链来抑制背景信号，还通过引入热力学竞争势垒增强了检测特异性[[21], [22], [23]]，提高了复杂基质中的分析选择性。

本文通过简便的室温方法制备了具有高催化活性的花状Co MOF，随后通过原位沉积Au NPs实现了Co MOF@Au NPs的制备。Au NPs的引入不仅促进了类OXD活性，还通过Au-S键合实现了巯基化cDNA的高效固定。为减少TC与纳米酶之间直接相互作用引起的非特异性催化响应，基于适体功能化的MB作为捕获探针、cDNA偶联的Co MOF@Au NPs作为信号探针、3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）作为显色底物，开发了一种比色适体传感器。结合磁分离和TID策略，该传感平台实现了对牛奶样品中TC的灵敏选择性检测。

章节摘要

试剂与仪器

链霉亲和素包被的MB购自 Sangon Biotech（中国上海）。Co(NO₃)₂·6H₂O、2-甲基咪唑、TMB、三（2-羧乙基）膦（TCEP）、TC和乙酸钠（NaAc）均购自麦克林生化科技有限公司（中国上海）。TC适体和cDNA（表S1）由Sangon Biotech（中国上海）合成和纯化。

仪器

使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜观察材料的形貌。

Co MOF@Au NPs的制备与表征

亲水性Co MOF@Au NPs通过简便的原位还原策略制备（图1A）。具体而言，在室温下以Co²⁺为金属源、2-甲基咪唑为有机配体制备Co MOFs。随后，AuCl^3?可吸附在Co MOF表面，并通过原位还原方法将Au NPs负载到Co MOF表面。如图1B的XRD图谱所示，Co MOF@Au NPs在38.18°、44.37°和64.56°处显示出特征峰，分别对应

结论

本文成功开发了一种基于TID的比色适体传感平台，用于TC的灵敏检测。通过溶剂热方法合成了具有类OXD活性的花状Co MOF@Au NPs，随后沉积Au NPs。这不仅保持了框架的结构完整性，还显著保留了其固有的类OXD催化活性。通过将适体功能化的MB与cDNA修饰的纳米酶探针整合，该传感平台

作者贡献声明

Saddam Hussain: 调查研究、概念构思。Zongda Li: 论文初稿撰写。Runhan Liu: 形式分析。Yu Zhang: 方法学。Yincang Cui: 监督指导。Minwei Zhang: 论文审阅与编辑、资金获取。

利益冲突声明

作者声明，不存在任何可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到自治区科技青年顶尖人才项目（2022TSYCCX0064）和中国博士后科学基金（2023M732962）、自治区青年科学基金重点项目（2024D01E03）、自治区重点技术研发计划项目（2022A02009-3）的资助。

Saddam Hussain|Zongda Li|Runhan Liu|Yu Zhang|Yincang Cui|Minwei Zhang

新疆生物资源与基因工程重点实验室，乌鲁木齐，830046，中国