基于量子生物材料增强的微型机器人：食品安全的创新检测工具
发布时间：2024-11-13 浏览次数：173
食品安全问题随着全球化和供应链复杂度的增加而日益严峻。尤其是由Salmonella enterica引起的食源性疾病，已成为全球公共健康的主要威胁。传统的检测方法如细菌培养法虽然有效，但耗时长、操作复杂。本文提出了一种基于量子生物材料增强的微型机器人（QBEMRs）平台，通过荧光信号变化实现对S. enterica的快速检测，为食品安全检测提供了一种便捷、灵敏的解决方案。
1. QBEMRs的工作原理与设计
该平台利用量子生物材料（QMs）作为微型机器人的外层，具备高选择性和荧光响应。研究人员通过电沉积方法构建了Ni-Pt层结构的微型机器人，Pt层用于自推进，Ni层赋予磁性，使机器人在食品样本中能够有效移动至目标位置，从而快速实现对S. enterica的检测。下图1展示了该工作的基本原理。自推进石墨烯基QBEMRs作为动态检测肠链球菌内毒素的活性生物载体。该方案显示了附着罗丹明标记亲和肽的QBEMRs在肠链球菌内毒素污染的溶液中导航前（溶液中为OFF）和后（溶液中为ON）。这引发了亲和肽与肠链球菌内毒素的释放和相互作用，导致溶液中的荧光恢复（ON期）。
图1. 荧光检测示意图。
本研究采用电沉积技术制备微型机器人。为了确认微型机器人的成功合成，并阐明其表面形貌和组成，进行了SEM-EDX，如下图2所示。图2A-a显示了微型机器人的SEM图像，显示出一个长度约为5 μm，横截面直径为2.5 μm的管状结构。图1A中的元素映射，如(b)、(c)和(d)，表明了关键元素的存在，特别是C、Ni和Pt。这些发现表明成功合成了自推进微型机器人，并且存在三种不同的层：QMs、Ni和Pt分别作为外层、中间层和内层。在使用这些微型机器人进行分析物检测之前，研究了各种表面活性剂对速度的影响，如图2B所示。在没有表面活性剂的情况下，微型机器人无法实现自我推进，特别是在低浓度H2O2下。这凸显了表面活性剂在降低微型机器人的表面张力和稳定气泡产生方面的重要作用，最终提高了微电机的速度。值得注意的是，发现使用1%的SDS会显著提高微型机器人的速度。
图2. A)-(a) QBEMRs的SEM和EDX （b-d）图像。(B)在H2O2浓度为9%和每种表面活性剂浓度为1%时，表面活性剂对QBEMRs速度的影响。
2. 高灵敏度的荧光“开关”策略
该检测方法采用“OFF-ON”荧光策略：量子材料表面连接有特定的亲和肽，在检测到Salmonella内毒素时发生荧光信号的恢复。实验显示，该平台的检测限低至2.0 μg/mL，大幅提升了灵敏度（图3A）。图3B描述了微型机器人在运动和静止状态下的对比研究。值得注意的是，当微型机器人静止（无燃料）时（如图3B-a所示），与它们运动（图3B-b所示使用燃料）相比，荧光回收率显著降低。这可以归因于当微型机器人主动移动时观察到的更高的检测能力。有趣的是，空白微型机器人几乎没有检测到荧光，这表明它们缺乏固有的荧光，如图3B-c所示。接下来，通过将活性生物载体暴露于一系列革兰氏阴性菌，包括大肠杆菌、肠链球菌血清型肠炎和肠链球菌血清型鼠伤寒杆菌（如图3C所示），来评估活性生物载体的选择性。值得注意的是，与大肠杆菌和肠炎沙门氏菌相比，鼠伤寒杆菌具有更强的荧光恢复。因此，该策略通过使用特定的亲和肽来区分细菌类型，从而展示了精致的选择性。
3. 食品样本中的实际应用
QBEMRs平台在橙汁、牛奶等实际食品样本中的检测回收率为90%-110%，表明其在复杂基质中的应用潜力（图3D）。此外，该平台能够在短时间内检测到污染物，为食品快速检测提供了有效解决方案。
![图2. QBEMRs活性生物载体测定肠球菌内毒素。A)运动状态下分析物[内毒素]浓度的对数（log）值与对数[荧光强度]之间的校准图。B)显示在运动（9% H2O2）或静态（无燃料）条件下，peptide@QBEMRs对固定浓度的肠链球菌内毒素（50 μg mL−1）的荧光强度恢复。C) peptide@QBEMRs生物载体对不同靶点（即大肠杆菌、肠炎沙门氏菌和鼠伤寒沙门氏菌）的荧光强度恢复直方图：（50 μg mL−1）（9% H2O2）。D)显示了在添加15 μg mL−1内毒素的各种实际样品（橙汁、牛奶）中通过peptide@QBEMRs获得的回收率](/uploads/20241113/fa77090145edc30466e0ffee4690e5cf.png "图2. QBEMRs活性生物载体测定肠球菌内毒素。A)运动状态下分析物[内毒素]浓度的对数（log）值与对数[荧光强度]之间的校准图。B)显示在运动（9% H2O2）或静态（无燃料）条件下，peptide@QBEMRs对固定浓度的肠链球菌内毒素（50 μg mL−1）的荧光强度恢复。C) peptide@QBEMRs生物载体对不同靶点（即大肠杆菌、肠炎沙门氏菌和鼠伤寒沙门氏菌）的荧光强度恢复直方图：（50 μg mL−1）（9% H2O2）。D)显示了在添加15 μg mL−1内毒素的各种实际样品（橙汁、牛奶）中通过peptide@QBEMRs获得的回收率")
图2. QBEMRs活性生物载体测定肠球菌内毒素。A)运动状态下分析物[内毒素]浓度的对数（log）值与对数[荧光强度]之间的校准图。B)显示在运动（9% H2O2）或静态（无燃料）条件下，peptide@QBEMRs对固定浓度的肠链球菌内毒素（50 μg mL−1）的荧光强度恢复。C) peptide@QBEMRs生物载体对不同靶点（即大肠杆菌、肠炎沙门氏菌和鼠伤寒沙门氏菌）的荧光强度恢复直方图：（50 μg mL−1）（9% H2O2）。D)显示了在添加15 μg mL−1内毒素的各种实际样品（橙汁、牛奶）中通过peptide@QBEMRs获得的回收率。
总结：基于量子生物材料增强的微型机器人平台，为S. enterica的食品污染检测提供了一种快速、灵敏且经济高效的方法。该技术有望广泛应用于食品安全检测领域，保障消费者健康。
参考文献：Castillo, Alberto-Rodríguez, et al. "Active Quantum Biomaterials-Enhanced Microrobots for Food Safety." Small: e2404248.
来源：微生物安全与健康网，作者~高宝。
