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食品危害通常源于各种化合物的污染，包括农药、兽药残留、真菌毒素和添加剂。食物中某些微量小分子的积累对人类健康构成了相当大的挑战，包括致癌和诱变的可能性。由于小分子药物在家禽和动物养殖中的滥用，全球范围内对食品安全和化学污染的担忧日益增加，故急需开发一种新的高效检测技术和策略来满足目前食品安全监管的需求。
近日，华中科技大学生命科学与技术学院刘钢教授、量准公司黄丽萍博士团队及南京师范大学食品与制药工程学院李亚楠副教授团队合作，在 Biosensors and Bioelectronics 期刊发表了题为：Flexible Nanoplasmonic Sensor for Multiplexed and Rapid Quantitative Food Safety Analysis with a Thousand-times Sensitivity Improvement 的研究论文。
该研究开发了一种基于竞争性免疫分析法的超灵敏金-铂纳米花（AuPt NF）联合纳米超表面等离子体共振（MetaSPR）的生物传感器——APNMSPR，用于一步式快速多联定量分析鸡蛋中的微量小分子——氟苯尼考、氟虫腈和恩诺沙星，三种小分子的检出限分别为0.81、1.12和1.74 pg/mL，与传统方法相比，灵敏度提高1000倍，分析时间缩短15倍。
目前，小分子检测方法包括液相色谱串联质谱法（LC-MS/MS）、酶联免疫吸附法(ELISA)和试纸条等技术。然而，这些方法大多存在价格昂贵、耗时长、需要专业人士操作，和检测精度较低等问题。因此，迫切需要开发一种快速、成本低、超灵敏的多联定量小分子检测技术。基于此，该团队开发了一种新型的AuPt NF耦合MetaSPR的生物传感器——APNMSPR，将芯片集成到可拆卸的八联板条或标准无底96孔板中，然后采用全自动多功能分子分析仪进行多联定量检测。
图1.超表面等离子体共振芯片条(MSPRCSP)传感器的制作及多联小分子检测示意图。(A)基于MetaSPR芯片的小分子免疫竞争反应原理示意图。(B)可拆卸高通量MSPRCSP传感检测装置与多联小分子定量检测示意图。
该传感器采用免疫竞争法原理对小分子进行检测，即样品中的小分子与芯片表面固定的抗原竞争结合AuPt NF表面的抗体，当溶液中的小分子浓度越高，结合在芯片表面的AuPt NF标记的抗体越少，反应信号越低。研究人员首先通过MetaSPR技术测定三种小分子的抗原和抗体亲和力，筛选出亲和力较高的原材料，并验证了三种小分子与对应的抗原抗体的竞争反应效果。在优选的原材料和最佳的实验条件下，该APNMSPR传感器检测氟苯尼考，氟虫腈和恩诺沙星的检测范围分别为0-768 pg/mL， 0-512 pg/mL和0-320 pg/mL。
图2.基于APNMSPR生物传感器的混合样品中(A)氟苯尼考、(B)氟虫腈和(C)恩诺沙星多个小分子的检测示意图。(D)氟苯尼考、(E)氟虫腈和(F)恩诺沙星抗原分别与抗体相互作用的动力学曲线。不同浓度的小分子与芯片上固定的(G)氟苯尼考、(H)氟虫腈、(I)恩诺沙星抗原竞争结合抗体或标记在AuPt NF表面的抗体的免疫竞争反应验证。(J)双波长OD差值(OD600-OD575)和不同浓度氟苯尼考、氟虫腈、恩诺沙星多联检测柱状图。(K) OD值与不同浓度氟苯尼考、氟虫腈、恩诺沙星的标准曲线。
为了验证该传感器在真实样品中多联检测的可行性，在阴性样本鸡蛋中加标多种小分子同时进行多联检测。结果显示氟苯尼考、氟虫腈和恩诺沙星的回收率为94-108%，与LC-MS/MS的回收率相似（回收率为94-104%）。结果表明MetaSPR芯片与AuPt NF相结合可以在鸡蛋中进行超灵敏、定量、快速和多联检测。该团队开发的APNMSPR生物传感器为实际样品的小分子多联检测提供了一种新的检测方法，可广泛应用于食品安全检测、环境监测等领域。
图3.(A)实际样品中氟苯尼考、氟虫腈和恩诺沙星的小分子多联检测示意图。不同浓度(B)氟苯尼考、(C)氟虫腈和(D)恩诺沙星的全光谱检测结果。(E) 双波长OD差值(OD600-OD575)和不同浓度氟苯尼考、氟虫腈、恩诺沙星小分子在实际样品中多联检测柱状图。(F)实际样品中氟苯尼考、氟虫腈、恩诺沙星小分子多联检测的标准曲线。
华中科技大学生命科学与技术学院樊洪利博士研究生、李睿博士研究生为论文的共同第一作者，华中科技大学生命科学与技术学院的刘钢教授、黄丽萍博士，南京师范大学食品与制药工程学院李亚楠副教授为该论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115974
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