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北航蔡仲雨教授團隊《Biosens. Bioelectron.》：光子晶體乙酰膽堿酯酶凝膠傳感器高效檢測有機磷化合物

2024-10-14 來源：高分子科技

二維光子晶體 (2D PC ) 傳感器由于其成本低、靈敏度高、便攜性好、無標記等特點，在過去的幾十年里受到了廣泛的關注。迄今為止，二維光子晶體水凝膠傳感器已經被開發用于檢測許多類型的物質，例如尿素、抗生素、葡萄糖、蛋白質、微生物等。其中，許多研究致力于制造用于OP化合物檢測的二維光子晶體傳感器。然而，這些OP水凝膠傳感器存在制備步驟繁瑣、接枝效率低、應用場景有限等問題，尤其是在干燥，高（低）溫條件下，傳感器極其容易失效，所以需要進一步的研究和探索。

對此，北京航空航天大學蔡仲雨教授團隊采用將乙酰膽堿酯酶（AChE）固定在牛血清白蛋白（BSA）上開發了一種簡單的二維光子晶體（2D PC）水凝膠，用來有效定量測定OP化合物，例如典型的OP農藥敵百蟲和具有代表性的OP神經毒劑模擬物DMPP（圖1a）。由于AChE和OP化合物之間的特定相互作用 (圖 1b)，OP化合物很容易與水凝膠結合，觸發凝膠的體積相變并導致2D PC明顯的德拜衍射環直徑變化。所制備的水凝膠傳感器對有機磷農藥敵百蟲和有機磷神經毒劑模擬物甲基膦酸二乙酯 (DMPP) 的檢測限 (LoD) 分別為 2.23 nM 和 0.07 nM。在此基礎上，利用溶劑交換策略可以輕松制備響應性有機水凝膠，以滿足惡劣環境中的應用和對非水溶性OP化合物的檢測要求。有機水凝膠傳感器對敵百蟲和 DMPP 的檢測限分別為 0.70 μM 和 4.46 μM。這項工作為開發下一代穩定、低成本、便攜式現場傳感設備提供了新的啟發。

圖1. 2D PC AChE/BSA水凝膠和有機水凝膠的檢測機理

研究團隊首先觀察了原始2D PC和2D PC AChE /BSA蛋白質水凝膠的微觀結構。圖2a 顯示了有序的2D PC的SEM圖像，它們是制造2D PC水凝膠傳感器的優秀模板。圖2b和c 分別表示凝膠化后2D PC的周期性仍然可以保持完整以及可以賦予2D PC不同的顆粒間距由于水凝膠的膨脹/收縮。圖2d顯示了具有鮮艷彩虹色的2D PC AChE/BSA蛋白水凝膠。

圖2. 2D PC及2D PC AChE/BSA蛋白質水凝膠的微觀結構及實物照片

根據傳感機制，研究團隊首先通過改變AChE含量來優化2D PC AChE/BSA水凝膠傳感器的響應性能（圖3a）。在此基礎上，研究團隊進一步驗證了2D PC AChE/BSA -0.02水凝膠傳感器良好的靈敏度，高選擇性（在各種農藥中可以特異性檢測有機磷農藥）以及復雜環境（不同溫度、濕度、光照等條件下）穩定性（圖3）。

圖3. 2D PC AChE /BSA -0.02水凝膠的優化及傳感特性

為了進一步拓展水凝膠傳感器的應用溫度范圍和應用場景, 通過使用水和有機溶劑混合物作為流動相，2D PC AChE/BSA-0.02水凝膠傳感器可以進一步定制。所得2D PC AChE/BSA -0.02有機水凝膠傳感器對于有機磷化合物DMPP的傳感性能也被驗證（圖4）。光子晶體有機水凝膠的使用使得制備可穿戴傳感器檢測有機磷氣體成為可能，而無需嚴格的封裝條件。

圖4. 2D PC AChE /BSA -0.02有機水凝膠的傳感特性

研究團隊進一步表征了AChE/BSA-0.02水凝膠傳感器及有機水凝膠傳感器。通過冷凍電鏡測試可以推測有機水凝膠較小的空隙及減少的串珠結構可能是AChE/BSA有機水凝膠的傳感性能遜色于AChE/BSA水凝膠的原因。通過熒光光譜可以推測蛋白質的空間結構發生了破壞，導致有機水凝膠中酶活性的喪失。而酶活性測試結果與傳感器的體積變化響應、Cyro-EM 圖像和熒光光譜互為佐證（圖5）。相關成果以“Two-dimensional photonic crystal acetylcholinesterase hydrogel and organohydrogel sensors for efficient detection of organophosphorus compounds”為題發表在Biosensors and Bioelectronics，2024， DOI: 10.1016/j.bios.2024.116845.

圖5. AChE/BSA水凝膠及有機水凝膠的冷凍電鏡，熒光光譜及酶活性測試結果

上述工作得到了國家自然科學基金、國家青年人才項目、陜西省科技資源開放共享平臺項目等的資助。北京航空航天大學博士研究生趙芳媛是論文第一作者，蔡仲雨教授為論文的通訊作者，延安大學張玉琦老師為本工作的共同通訊作者。該工作也得到清華大學危巖教授的指導和清華大學國家蛋白質中心的支持。

全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566324008522

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（責任編輯：xu）

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