基于Mn顺磁弛豫和纳米催化的多信号生物传感器开发

具有一个或多个未成对电子的Mn顺磁离子具有出色的弛豫系数，其在水溶液中稳定，可通过氧化还原反应转换多种价态，从而克服了传统磁弛豫开关传感器稳定性低（受食物基质和自然沉降的干扰）和工作范围窄（小分子结合位点有限）的缺陷。Mn(II)顺磁性离子（3d⁵，S=5/2）被广泛用作磁共振成像的造影剂，具有较大的弛豫系数。

相比之下，MnO₂ NPs纳米颗粒（晶格：八面体结构）中的Mn原子与六个O原子配位，因此与水质子接触的概率较低，导致MnO₂ NPs纳米粒子具有弱弛豫性。然而抗坏血酸能迅速裂解MnO₂ NPs纳米颗粒并释放出Mn(II)，从而显著提高弛豫性。因此，可以构建基于顺磁离子价态转换的弛豫传感系统。

诺如病毒（NoV）俗称“冬季呕吐病”，是急性病毒性肠胃炎的主要病因。诺如病毒具有高度传染性，食源性NoV爆发与食用受粪便污染的生贝类、浆果和即食食品有关。此外，开放的食品跨境贸易政策也促进了全球疫情的爆发。因此，在食物摄入前检测NoV病毒对于预防NoV感染具有相当大的潜力。

近期，上海理工大学刘宝林教授团队与军事科学院军事医学研究院环境医学与作业医学研究所高志贤研究员团队合作，报道了一种基于Mn顺磁弛豫和纳米催化的多信号生物传感器来检测NoV病毒的方法。该双模态传感平台利用抗坏血酸裂解Au@MnO₂ NPs纳米颗粒产生的强弛豫系数及其固有的酶样活性实现了诺如病毒的检测。还发现在弛豫信号放大试剂tpps-β-CD（r1=12.56/mM/s）的辅助下，可以显著提高检测的灵敏度。相关成果以“Multi-signal Biosensors Based on Mn ParamagneticRelaxation and Nanocatalysis for Norovirus Detection”为题发表在国际化学权威杂志Analytical Chemistry上。

具体而言，研究人员开发了一种基于Mn顺磁弛豫和纳米催化的多信号方法来灵敏检测诺如病毒。这种双模态传感平台是基于抗坏血酸裂解的Au@MnO₂ NPs纳米颗粒产生的高弛豫率系数及其固有的酶样活性。以诺如病毒基因组中最保守区域（ORF1-ORF2连接处）的cDNA序列为识别目标物（cDNA_NoV），聚苯乙烯包裹的磁性纳米颗粒（MNP@PSNPs）和Au@MnO₂ NPs纳米颗粒通过与分子探针功能化，可用于捕获cDNA_NoV来构建顺磁弛豫传感平台。抗坏血酸能迅速裂解Au@MnO₂ NPs 纳米颗粒的MnO₂层，释放出Mn(II)。其具有强顺磁性（3d5，S=5/2），显示出较强的电子自旋驰豫，产生较大的弛豫率系数，从而使弛豫模式处于“开启”状态。

相比之下，Au@MnO₂ NPs纳米颗粒表现出较小的弛豫率系数。因此，晶体结构的Au@MnO₂ NPs纳米颗粒转变为溶液状态的Mn(II)，会直接产生弛豫信号的变化。此外，Au@MnO₂ NPs纳米颗粒还能模拟“过氧化物酶样”和“氧化酶样”活性，催化无色的TMB氧化成蓝色的oxTMB。因此，目标物含量可以通过比色法定量。

用于检测诺如病毒的多信号生物传感器原理图

 

不同价态Mn顺磁离子的弛豫特性

   

T1/T2弛豫信号放大试剂的筛选

牡蛎样品的分析  

综上所述，为检测NoV，研究人员开发了一种基于Mn顺磁弛豫和纳米催化的多信号生物传感器。其中，弛豫模式是基于Mn(II)顺磁性离子优异的弛豫特性、灵敏且不受光线干扰。比色模式是基于Au@MnO₂ NPs固有的催化活性使底物显色，在未来可开发出NoV的POCT诊断设备。

在弛豫模式中，T2信号比T1信号对Mn(II)浓度更敏感，tpps-β-CD复合物增加了Mn (II) 顺磁性离子的r1（12.56/mM/s），但降低了r2（18.81/mM/s）。使用tpps-β-CD复合分子作为弛豫信号放大试剂提高了方法的灵敏度和检测范围。此外，RT-RPA辅助弛豫/比色法可进一步提高灵敏度（LOD：10 copies/mL），从而实现对食品样品中NoV的超灵敏检测。然而，这一过程需要额外的扩增反应时间（~ 20 min）。

论文链接： https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c03950   


 

审核编辑：刘清