基于多色荧光碳点传感器的纸基微流控芯片

抗生素是水产养殖中常用的药物，用于治疗各种细菌疾病，提高饲料利用率，并减少对某些营养素的需求。迄今为止，科学家已经建立了高效液相色谱法、质谱法和酶联免疫吸附测定法等多种抗生素分析技术。然而，尽管这些方法灵敏度高，但样品前处理复杂、仪器昂贵、劳动强度高、人员训练有素，极大地限制了其应用。与纳米材料结合的荧光检测技术具有检测限超低、实时快速检测、检测范围大、成本低等无可比拟的优点，已被广泛应用于抗生素的检测。 近年来，核酸适配体技术已经成为食品掺假和污染物快速检测的领跑者。

与抗体相比，核酸适配体表现出更好的特性，包括更高的亲和力、更高的特异性、更高的稳定性和更容易标记。目前，已有研究人员开发出了一种基于信号放大策略的双目标电化学适配体传感器，用于高灵敏度地同时检测卡那霉素和链霉素。然而，目前还没有纸基微流控适配体传感器与荧光纳米颗粒结合用于抗生素的多重检测。 基于此，江南大学吴世嘉教授团队设计了一种基于多色荧光碳点（CDs）适配体传感器的激光打印纸基微流控芯片（mCD-μPAD适配体传感器），实现了多种抗生素的同时检测。

此外，还设计了一种3D打印的便携式检测盒，可以通过智能手机直观地分析磺胺二甲嘧啶（SMZ）、土霉素（OTC）和氯霉素（CAP）。通过智能手机识别荧光纸张图像的RGB值，可以实现对水产品中多种抗生素的同时可视化检测。文章以“Laser-Printed Paper-Based Microfluidic Chip Based on a Multicolor Fluorescence Carbon Dot Biosensor for Visual Determination of Multiantibiotics in Aquatic Products”为题发表在ACS Sensors期刊上。

首先，研究人员通过水热法合成了多色荧光CDs，然后与抗生素适配体和MoS₂纳米片结合，合成了“荧光关闭”检测纳米探针，如方案1A所示。然后，在自行设计的激光打印微流控纸基芯片的三个检测区重复滴加三个检测纳米探针溶液，制成方案1B中的mCD-μPAD适配体传感器。检测过程如方案1C所示。

在没有靶点的情况下，CDs通过π-π堆积作用与MoS₂纳米片形成的CDs-apt导致mCD-μPAD上的荧光猝灭，这可以促进荧光共振能量转移（FRET）过程的形成。然而，当样品溶液被mCD-μPAD适配体传感器吸附时，溶液中的抗生素会在滤纸的毛细作用下迁移到检测区。然后，它们各自的适配体特异性地识别它们，并形成伴随构象变化的适配体/靶点复合体。

在这种情况下，CDs和MoS₂之间的距离变大，阻碍了能量的传递。通过便携式检测设备和可用的智能手机拍摄检测区域中的荧光颜色变化，可以通过安装的颜色识别应用程序提取捕获的荧光图像或实时图像的RGB通道值，并将其转换为灰度值。图像的灰度值与抗生素的浓度成正比。

方案1 mCD-μPAD适配体传感器和便携式智能手机检测仪同时检测多种抗生素

制备的三种CDs为分散均匀的球状颗粒，平均粒径分别为3.49 nm ± 0.63 nm、4.74 nm ± 0.65 nm和5.03 nm ± 0.69 nm（图1a-1c）。三种CDs的红外光谱相似，都具有C-O-C（1195/cm、1166/cm和1145/cm）、C-N（1417/cm、1394/cm和1400/cm）、C=O（1720/cm、1627/cm和1621 /cm）和O-H/N-H（3502/cm、3413/cm和3437/cm）伸缩振动和N-H（779/cm、827/cm和912/cm）弯曲振动（图1d-1f）。用X射线光电子能谱对三种CDs的表面元素分析表明，多色CDs含有原子含量不同的C（284.8 eV）、N（400 eV）和O（531 eV）（图1g−1i）。



图1 （a）rCDs、（b）gCDs和（c）bCDs的TEM图像和粒径分布直方图；（d）rCDs、（e）gCDs和（f）bCDs的FT-IR光谱；（g）rCDs、（h）gCDs和（i）bCDs的XPS谱 用UV-Vis吸收光谱、荧光激发和发射光谱研究了多色荧光CDs的光学性质（图2a-2c）。三种CDs在530 nm、360 nm和370 nm处的吸收带分别与614 nm、490 nm和470 nm处的发射的激发光谱重叠。

rCDs在530 nm吸收峰归属于C=N键，gCDs和bCDs的360 nm和370 nm吸收峰归属于碳核的n→π*跃迁。在激发波长为518 nm、362 nm和374 nm时，三种CDs的最大发射波长分别为614 nm、493 nm和439 nm。



图2 （a）rCDs、（b）gCDs和（c）bCDs的荧光和吸收光谱

通过ζ电位表征了适配体与CDs的结合（图3a-3c）。rCDs、gCDs和bCDs的ζ电势分别在-2.33 mV ~ -11.7 mV、-8.81 mV ~ -12.2 mV和-8.86 mV ~ -14.7 mV之间变化，这是由于适配体磷酸骨架上丰富的负电荷。如图3d-3f所示，在CDs-apt中添加MoS₂复合材料显著猝灭了荧光强度（c线），在CDs直接掺入MoS₂后，发光强度仅轻微猝灭（b线）。

此外，随着靶点的加入，复合体系（CDs-apt-MoS₂）的荧光强度显著恢复（d线）。此外，还验证了在μPAD上安装检测探针的可行性。μPAD在365 nm激发波长下的检测区的荧光强度按a、b、d、c的顺序逐渐减小，这与溶液中的结果一致。



图3 （a）rCDs和rCDs-atp1、（b）gCDs和gCDs-atp2、以及（c）bCDs和bCDs-atp3的ζ电势；（d）rCDs-atp1-MoS₂、（e）gCDs-atp2-MoS₂和（f）bCDs-atp3-MoS₂纳米探针在溶液中检测抗生素的可行性

如图4a所示，整个μPAD是半径为30 mm的扇区。三种不同形状的检测区域和三个圆形缓冲区通过三个微通道与亲水尖端相连。使用缓冲区，以避免由于检测过程中液体流动速度过快而导致检测探头堆积在检测区域的上部。图4b、4c显示了白天和365 nm激发光打印的多色荧光碳点附着在μPAD的照片。

通过扫描电子显微镜技术，可以认为检测区浸入了CDs -apt -MoS₂纳米探针。图4d、4e显示了不同尺度下μPAD的空白检测区，其中只能观察到滤纸的纤维组织。在图4f中，可以观察到它们附着在纤维素过滤器的表面，并在将纳米探针滴到检测区后在一定程度上聚集在一起。

为了获得更好的检测性能，对MoS₂的负载浓度和靶点孵育时间进行了优化。从图4g-4i中可以看出，随着MoS₂在纳米探针中浓度的增加，相应浓度的μPAD的灰度值和荧光图像都逐渐下降，红色和绿色探针稳定在0.25 mg/mL，蓝色探针稳定在0.30 mg/mL。

因此，rCDs和gCDs探针的最佳浓度为0.25 mg/mL MoS₂，bCDs探针的最佳浓度为0.30 mg/mL MoS₂。此外，通过确定抗生素浓度（100 ng/mL）来优化目标孵育时间。结果表明，所有颜色的灰度值随着时间的推移而逐渐增加，并在15分钟时趋于稳定（图4j-4i）。因此，15 min为最佳孵化时间。



图4 （a）μPAD的示意图；μPAD在日光下（b）和在365 nm紫外光下附着多色荧光碳点的照片；在（d）100 μm和（e）10 μm处添加检测探针之前的检测区的扫描电子显微镜图像；（f）在10 μm处添加检测探针之后的检测区的扫描电子显微镜图像；（g）rCDs检测探针、（h）gCDs检测探针和（i）bCDs检测探针的MoS₂浓度的优化；（j）rCDs检测探针、（k）gCDs检测探针和（i）bCDs检测探针的孵育时间的优化

通过便携设备平台和智能手机同时检测SMZ、OTC和CAP。此外，为了使mCD-μPAD适配体传感器可用于抗生素的现场定量，并提供稳定的分析环境，设计了一种3D打印的便携式检测装置。该设备的组成和结构的照片如图5a、5b所示。它由一个由电池供电的365 nm紫外光和一个带有高质量互补金属氧化物半导体相机的智能手机组成。检测过程如图5c所示。检测后，将μPAD放入装置托盘，在365 nm激发光源下激发。智能手机被放置在盒子的顶部，通过观察孔捕捉到平板的荧光信号。

在最佳条件下，用mCD-μPAD适配体传感器对SMZ、OTC和CAP进行可视化检测。如图5d-5f所示，随着标准样品中SMZ、OTC和CAP浓度的增加，rCDs、gCDs和bCDs的荧光强度逐渐恢复。然后，通过颜色识别软件提取荧光图像的RGB值，并将其转换为灰度值，通过公式进行计算，相应的检出限分别为0.47 ng/mL、0.48 ng/mL和0.34 ng/mL。



图5 便携式检测装置的（a）制备、（b）组成和（c）使用的示意图；mCD-μPAD适配体传感器的荧光图像以及（d）红、（e）绿和（f）蓝检测区域的Δ灰度值与对数的SMZ、OTC和CAP浓度之间的校准曲线 用该方法检测了水产品中可能存在的磺胺嘧啶（SDZ）、磺胺二甲氧嘧啶（SMS）、四环素（TC）、恩诺沙星（ENR）和红霉素（ERY）等几种常见抗生素。其中，SDZ和SMS是SMZ的结构类似物，TC是OTC的结构类似物。如图6所示，这些抗生素仅引起较小的灰度值变化。相比之下，SMZ、OTC和CAP可导致相应检测区域的显著增加。



图6 mCD-μPAD适配体传感器的特异性和交叉反应性

综上所述，该研究利用多色荧光发射N-CDs和MoS₂纳米片作为FRET供体−受体对，成功构建了一种多色荧光纳米探针纸基微流控芯片，可同时监测3种常用抗生素。使用3D打印便携设备和现有的智能手机，可以通过安装的颜色识别应用程序实现荧光图像的快速捕获和RGB通道值的即时分析。

通过改变相应的适配体，μPAD可应用于其他抗生素的检测。在进一步的研究中，将努力分散在微型光学配件的设计上，以减轻检测系统的重量和体积，并开发智能手机应用程序，整合图像处理和数据分析，提高性能。总体而言，该纸基传感器具有试剂消耗低、检测成本低、制作简单、灵敏度高、效率高等优点，为食品安全与控制的同步监测提供了一种很有前途的策略。

审核编辑：刘清