《Sustainable Materials and Technologies》：Bio-based surface functionalization of cotton via periodate oxidation and chitosan grafting for sustainable lac dyeing and multifunctional performance
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本研究开发CRISPR-Cas12a增强的近红外光电化学传感器，用于高灵敏度检测食品中卡那霉素残留。通过ZnO/CdS异质结光阳极和铒掺杂上转换纳米颗粒，实现近红外光转换，检测限低至0.284纳摩尔，线性范围10-1000纳摩尔，牛奶样本回收率97%，有效应对复杂基质检测挑战。
郑亚文|李玉瑶|朱吉|易静|李天宁|唐鸿武
武汉大学化学与分子科学学院，武汉，430072，中国
摘要
食品中的抗生素残留物对健康构成重大风险，在复杂基质中实现敏感的现场检测仍然具有挑战性。我们报道了一种基于近红外光电化学（NIR-PEC）的生物传感器，该传感器结合了CRISPR-Cas12a信号放大技术，能够灵敏地检测食品中的卡那霉素。ZnO/CdS异质结光阳极增强了可见光下的电荷分离效果，产生的光电流比单独使用ZnO时高出4.6 mA–96%。上转换纳米粒子（NaYF4:Yb3+, Er3+）将980 nm的光转换为542 nm的发射，从而在近红外光照下驱动异质结工作。在卡那霉素存在的情况下，激活剂DNA会从适配体上脱离，触发Cas12a切割电极上的单链DNA（ssDNA）探针，导致光电流下降。该传感器在10至1000 nM的浓度范围内表现出线性响应，检测限为0.284 nM，并且与相关化合物的交叉反应率低于2.8%。在添加了卡那霉素的牛奶样品中，平均回收率为97%（RSD = 2.2%）。这一平台为复杂食品基质中的抗生素残留分析提供了高特异性和灵敏度。
引言
食品中的抗生素残留物对公共健康构成严重威胁。卡那霉素（Kana）是一种代表性的氨基糖苷类抗生素，可抑制细菌蛋白质合成，在畜牧业中广泛使用，因此会在乳制品和其他动物源性食品中积累[1]。通过食物链进入人体后，卡那霉素残留物可能导致耳毒性、肾毒性和不可逆的抗生素耐药性[2,3]。传统的检测方法（包括电化学[4,5]、荧光[6]和比色法[7]）难以在复杂基质中实现定量微量卡那霉素（<1 nM）所需的灵敏度和选择性。
光电化学（PEC）生物传感技术已成为一种有前景的解决方案[8,9]。自1839年贝克勒尔发现光电效应以来[10]，PEC平台已发展成为强大的分析工具，它结合了光激发和电信号读取，具有比传统电化学技术更高的灵敏度，同时保持了低成本、操作简便性和易于微型化的特点[11,12]。特别是近红外（NIR）PEC生物传感器通过空间分离激发和检测路径来抑制背景噪声，克服了紫外-可见光激发方法的局限性——如穿透深度有限（<650 nm）、对生物分子的光损伤以及宽带隙半导体（如TiO2）的吸收谱窄等问题[3,13]。NIR激发策略在复杂基质中提供了出色的抗干扰性能，使该平台特别适合实际样品的现场监测应用。
掺镧的上转换纳米粒子（UCNPs）通过将低能量NIR光子转换为高能量的可见光发射来解决光源匹配问题[14]。例如，NaYF4:Yb3+/Er3+ UCNPs能高效地将980 nm的光转换为542 nm的发射，与宽带隙半导体的吸收谱相匹配，同时具有优异的化学稳定性、低光漂白性、低细胞毒性和可调的发光特性[13,15]。ZnO/CdS异质结通过有利的能带对齐（CdS导带约为-3.9 eV；ZnO导带约为-4.2 eV）扩展了光吸收范围至约540 nm，并促进了电荷分离[12,16]。
规律间隔短回文重复序列（CRISPR）及其相关Cas蛋白构成了原核生物的适应性免疫系统，通过靶向切割外来核酸发挥作用[17,18]。在CRISPR-Cas12a系统中，V型效应蛋白Cas12a含有一个RuvC核酸酶结构域。在crRNA激活下，该酶同时执行两种不同的切割方式：特异性切割双链DNA（dsDNA）目标和非选择性切割单链DNA（ssDNA）[19,20]。这种双重切割能力显著提高了其催化效率（每秒≥103次催化循环[21]。利用CRISPR/Cas酶的高特异性，trans切割功能已被广泛用于生物传感器的信号放大机制[22,23]。
在这里，我们将这些先进技术整合到一个强大的NIR-PEC传感平台中用于卡那霉素的检测：（1）通过0.15 M CdCl2/Na2S沉积（30分钟）优化的ZnO/CdS光阳极产生的峰值光电流为4.6 mA；（2）羧基化的NaYF4:Yb3+/Er3+ UCNPs通过二硫键与电极上的单链DNA探针共价连接；（3）卡那霉素与其适配体结合后释放激活剂DNA（acDNA），激活Cas12a切割表面的单链DNA，导致在980 nm光照下光电流显著下降。所得生物传感器在10–1000 nM的浓度范围内表现出线性响应（R2 = 0.98），检测限为0.284 nM，与托布霉素的交叉反应率低于2.8%，在添加了卡那霉素的牛奶样品中的平均回收率为97%（RSD = 2.2%），证明了其在复杂食品基质中进行快速、现场抗生素残留监测的潜力。
部分内容片段
ITO-ZnO/CdS光电极的制备
ITO玻璃预处理：ITO导电玻璃片分别在丙酮、无水乙醇和超纯水中超声清洗5分钟，然后在氩气流中干燥。随后将玻璃片浸入100 mM高锰酸钾溶液中30分钟，用超纯水彻底冲洗后备用。
ZnO的水热合成：通过溶解2.97克硝酸锌、3毫升氨水和1毫升乙二胺制备前驱体溶液
基于上转换纳米粒子的NIR-PEC生物传感器
我们报道了一种近红外（NIR）激活的光电化学（PEC）生物传感器的构建，该传感器能够高度特异性和超灵敏地检测卡那霉素，通过将ZnO/CdS异质结光阳极与掺镧的上转换纳米粒子（UCNPs）和基于CRISPR/Cas12a的放大级联系统结合实现（图1）。在水热生长在ITO基底上的ZnO纳米花上覆盖CdS，形成II型异质结，从而扩展了光吸收范围
结论
本研究开发了一种基于CRISPR-Cas12a增强的近红外（NIR）光电化学（PEC）生物传感器，用于检测卡那霉素。该传感器结合了ZnO/CdS异质结、功能化的单链DNA上转换纳米粒子（UCNPs）和目标激活的trans切割机制。优化的异质结通过有利的能带对齐促进了高效的电荷分离，而掺Er3+的UCNPs实现了近红外到可见光的光子上转换，减少了紫外光引起的损伤。
CRediT作者贡献声明
郑亚文：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法学，研究，数据分析，概念化。李玉瑶：撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法学，研究，数据分析，概念化。朱吉：撰写 – 原稿，可视化，验证，研究，数据分析，概念化。易静：可视化，验证，数据分析，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号22277096和21827808）的资助。
