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华东师范大学张强研究员课题组《ACS Nano》:一种表面功能化的多色纤维素纳米球用于多重侧流层析检测
2025-01-27  来源:高分子科技

  侧流层析检测(Lateral flow assay, LFA)是使用最广泛的检测技术之一,其可以简单、快速、低价的检测各种样品中的待检物。多重侧流层析检测(Multiplex LFAs, mLFA)可以同时检测多种待检物,从而可以提高检测效率、降低检测的成本和时间,或提高检测的精准度。因此,mLFA可应用于诸如病毒感染、性传播疾病、农药污染和环境污染等需要检测多种待检物的检测领域。目前应用较多的mLFA免疫探针为胶体金或聚苯乙烯微球,虽然它们做到对多种靶标的多重检测,但存在多重可视化差、检测灵敏度低、样品制备要求严格等问题,主要原因是缺乏先进的探针。因此,迫切需要开发新的探针和相应的mLFA检测策略。


  近日,华东师范大学张强课题组联合海军军医大学第二附属医院(上海长征医院王国栋课题组以及中国农业科学院上海兽医研究所李涛课题成功开发了一种具有高稳定性和易于表面修饰的彩色纤维素纳米颗粒,并用于多重侧流层析检测。



  相关工作近日以Colored Cellulose Nanoparticles with High Stability and Easily Modified Surface for Accurate and Sensitive Multiplex Lateral Flow Assay为题在《ACS Nano》上发表研究论文。mLFAs可以同时检测多种分析物,具有提高检测效率,降低成本和时间,提高分析精度等优势。然而,探针颗粒的颜色单一、不同样品之间的干扰以及非特异性和低灵敏度等劣势严重阻碍了mLFA的广泛应用。该研究制备了一种具有可调节颜色的聚多巴胺包裹的染色纤维素纳米颗粒(dCNPs@P)探针。首先合成了尺寸可调的球形纤维素纳米颗粒,然后通过成熟的工业染色方法将染料分子负载在纤维素纳米颗粒表面,再包裹一层可以与抗体结合的聚多巴胺涂层。dCNPs@P显示出比金纳米粒子更高的显色强度,还具有更高的耐盐和抗极端pH值的稳定性。基于dCNPs@PmLFA法成功地用于检测谷物中的多种真菌毒素,和两种炎症生物标志物的感染区分。该研究为mLFA的探针材料制备提供了新的思路和方法。


  该研究开发了一种制备彩色免疫探针的方法(图1a。首先使用简便的方法来大规模、高质量地制备纤维素纳米颗粒(Cellulose nanoparticles, CNPs)(图1b),然后参照工业较为成熟的印染技术,将多种活性染料共价连接到CNPs的表面(dyed CNPs, dCNPs)(图1cd),最后将其表面包裹一层聚多巴胺涂层使其可以与生物受体相结合(polydopamine-coated dCNPs, dCNPs@P)(图1a)。该免疫探针可以在试纸条上通过免疫反应显现不同颜色的条带(图1e),并且可以在两分钟内同时的对三种待检物进行定性分析(图1f)。根据显色区域的SEM图片可以观察到dCNPs@P纳米颗粒被吸附在了包被相应抗体的醋酸纤维素的表面(图1g)。


1. 彩色dCNPs@P探针用于LFA


  CNPs制备及表征。以再生纤维素纳米纤维为原料经酶解和高压均质处理得到CNPs(图2a。再生纤维素纳米纤维(图2b经酶解后得到再生纤维素纳米棒(图2c,再通过高压均质处理得到直径约100 nmCNPs(图2de)。XRD显示再生纤维素材料均为型纤维素(图2f),经过纤维素酶处理过后纤维素的结晶度明显上升,说明酶解区域主要为非结晶区(图2g)。


2. CNPs的合成与表征。


  dCNPs@P制备及表征TEM图像显示相较于CNP(图3adCNP在染色后颜色加深(图2b,并在包裹PDA后表面覆盖了一层约20 nm的涂层(图2c)。dCNP504 nm处有明显的紫外吸收峰,在相同颗粒含量的情况下dCNPs@P的吸收峰红移且强度变高(图2d。红外光谱显示CNP含有羧基及羟基基团,在染色和包裹PDA后具有染料与PDA相应的特征峰(图2edCNP以及dCNPs@PXPS光谱中展示了染料与PDA特有的N元素(图2fg)。水合粒径及Zeta电位也展示了CNPdCNP以及dCNPs@P的胶体稳定性。各项表征证明了染料与PDA成功负载在了CNP的表面。


3. dCNPs@P的制备与表征。


  探针抗体偶联和稳定性。相较于传统的静电法与EDC法偶联抗体,PDA涂层提供了迈克尔加成和席夫碱反应两种偶联方式,可使dCNP@P以更简单、高效的方法连接抗体(图4a)。该连接方式拥有更高的抗体连接效率(图4b)。同时PDA的高稳定性使得dCNP@P相较于AuNP拥有优秀的耐盐及抗极端pH能力(图cd)。更高的抗体偶联率、更深的颜色与更大的颗粒体积使得dCNP@P在试纸条上拥有更高的显色强度(图e)。


4. dCNPs@P的抗体偶联和稳定性。


  mLFA检测应用。使用竞争法夹心法LFA来验证dCNP@P作为免疫探针的效果(图5af)。dCNP@P法在竞争法检测毒素DON时展现出了优秀的特异性(图5b),并在1-5 ng/mL的区间有着良好的线性关系(图5c)。在同时检测多种毒素的情况依然能保持良好的线性区间(图5d)。在毒素随机组合样品的多重检测中,展示出了比单一色系的胶体金更优秀的可视化展示效果(图5e)。在夹心法LFA同时检测CRPSAA两种炎症指标可用于鉴定患者的感染类型(图5g)。与胶体金法相比,dCNP@P检测拥有更高的检测灵敏度。同时由于PDA涂层的存在,使其还具有光热转换效果,可进一步的提升检测灵敏度(图5h)。


5. 彩色dCNPs@P用于竞争法和夹心法的mLFAs


  这一研究成果发表在国际权威期刊ACS Nano杂志上,论文第一作者为华东师范大学博士研究生田逸尘,通讯作者为华东师范大学张强研究员,海军军医大学第二附属医院(上海长征医院)口腔科王国栋主任,中国农业科学院上海兽医研究所李涛研究员。该工作得到了国家自然科学基金(32071383)的支持。


  文章链接:

  Colored Cellulose Nanoparticles with High Stability and Easily Modified Surface for Accurate and Sensitive Multiplex Lateral Flow Assay

  Yichen Tian, Lei Chen, Xiaodi Liu, Yuqing Chang, Ruicai Xia, Jing Zhang, Yuele Kong, Yao Gong, Tao Li*, Guodong Wang*, and Qiang Zhang*

  https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15340

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(责任编辑:xu)
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