HRP诱导的宽波长可调原位荧光系统及其在临床样本中用于检测cTnI的免疫测定方法

《Talanta》：HRP-induced wide wavelength-tunable in situ fluorogenic system and its immunoassay for cTnI in clinical samples

3H-2B生物标志物检测、Sn掺杂ZnO中空纳米管、电纺法、快速响应（1秒）、智能传感系统、食品源性病原体监测

　　

连晓雪|刘静文|李艳|杨树梅

中国民航大学理学院，天津，300300，中华人民共和国

摘要

针对3-羟基-2-丁酮（3H-2B）生物标志物的检测是一种可行且可靠的方法，用于监测单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes），这是一种高毒性的食源性病原体，对公共卫生和食品安全构成严重威胁。本研究的重要性在于满足了快速、灵敏和现场检测单核细胞增生李斯特菌的迫切需求，因为传统的检测方法通常耗时、劳动密集且不适合现场应用。在此，我们通过电纺工艺成功制备了掺锡的ZnO中空纳米管，并进一步设计了一种基于这种材料的多参数智能传感系统，用于便携式3H-2B检测。我们工作的一个关键改进是掺锡和形态工程的协同整合，这显著提高了气体传感性能：掺锡引入了大量的氧空位和自由电荷载体，而定制的中空纳米管结构最大化了活性位点的可及性，促进了气体在传感界面上的快速扩散。优化的3%掺锡ZnO传感器表现出优异的3H-2B传感性能，在200°C时对100 ppm的3H-2B具有155.1的响应值，响应时间为1秒，检测限低至100 ppb，明显优于未掺锡的ZnO和其他掺锡材料。该传感系统在食品安全监测、餐饮业和食品加工车间具有广泛的应用前景，能够实现单核细胞增生李斯特菌污染的快速现场检测。本研究不仅确立了掺锡ZnO中空纳米管作为3H-2B传感平台的优越性，还为食源性病原体的快速、灵敏检测开辟了新的途径，为食品安全保障提供了技术支持。

引言

单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes，LM）是污染冷链食品的最具毒性的病原体之一，其检测一直是食品安全领域的核心重点[1]、[2]、[3]。2025年正式实施的国家级食品安全标准GB 4789.30-2025“食品微生物检验-单核细胞增生李斯特菌的检测”强调了实时检测这种病原体的重要性。然而，目前的检测方法（包括聚合酶链反应（PCR）[4]、免疫测定[5]和分子生物学检测[6]要么耗时，要么依赖昂贵的仪器设备，无法满足低成本、快速检测的需求。值得注意的是，3-羟基-2-丁酮（3H-2B）是一种在单核细胞增生李斯特菌代谢过程中产生的独特微生物挥发性有机化合物（MVOC），它可以作为这种病原体的特征“气味指纹”[7]、[8]、[9]。利用这一特性，开发用于检测3H-2B的气体传感器已成为监测单核细胞增生李斯特菌的一种非常有前景的策略。

迄今为止，传感领域发展迅速，在所使用的多种功能材料中[10]、[11]、[12]，掺杂金属的材料在气体传感应用中引起了广泛关注。已经开发了多种通过元素掺杂改性的基底材料用于气体传感，如碳基材料[13]、过渡金属硫属化合物[14]、MXenes[15]和金属氧化物[16]、[17]。在这些基底材料中，金属氧化物因其高度可调的带隙、宽范围的电阻率变化、优异的异质催化能力和低制造成本而受到关注[18]。然而，它们在复杂环境中的实际应用受到固有局限性的阻碍，包括高温操作、稳定性差以及对其他挥发性有机化合物（VOCs）的显著交叉敏感性。因此，金属掺杂成为提高气体传感性能的重要策略。

掺杂金属元素的金属氧化物可以有效产生额外的缺陷态，调节晶体形态，并提高电荷载流子的分离效率[19]、[20]。此外，这些掺杂物种的独特催化特性可能进一步增强金属氧化物化合物的表面反应性[21]。大量研究表明，用金属元素（如Mg、Ca、Ba和Sn）掺杂ZnO可以显著提高其对目标分析物的气体传感性能[22]、[23]、[24]。在这些掺杂ZnO系统中，本工作选择了掺锡ZnO作为核心研究对象，主要归因于Sn⁴⁺和Zn²⁺之间的明显价态差异。这种价态差异不仅为系统提供了更多的自由电子，还诱导了大量氧空位的形成，从而显著提高了材料的导电性和气体传感响应[25]、[26]、[27]。例如，Li[28]使用Sn-Ce共修饰的ZnO在室温下实现了三乙胺的检测，对10 ppm的三乙胺的响应时间为11.5秒，恢复时间为18秒。Chaudhary等人[27]制备了掺锡ZnO薄膜，其中2%掺锡的样品在260°C时对100 ppm乙醇的灵敏度为14.13，响应时间和恢复时间分别为44秒和237秒。Wang等人[29]报道了具有纳米片形态的单原子掺锡ZnO的创新制备方法，其对丙酮的传感性能得到了优化，包括在10 ppm丙酮时的响应值为213，检测限为0.52 ppb，但响应时间较长，为550秒。尽管上述研究证实了掺锡ZnO可以显著提高对目标气体的检测灵敏度，但值得注意的是，响应速度是快速检测单核细胞增生李斯特菌的核心指标之一。此外，这些研究仅关注材料改性或单个传感器的性能优化，而忽略了与智能检测系统的集成以及现场实际应用的需求。因此，开发一种对3H-2B具有快速响应性能的掺锡ZnO气体传感器，并构建专门用于3H-2B检测的多参数智能传感系统，具有重要的学术和实际意义。

在这项工作中，我们报道了具有中空纳米管形态的掺锡ZnO的创新制备方法，并优化了3H-2B的传感性能。气体传感特性表明，3%掺锡ZnO传感器具有优异的并发气体传感性能，具有高灵敏度、快速响应/恢复时间（1秒/2秒）、优异的选择性和长期稳定性。基于掺锡ZnO的出色性能，我们进一步开发了一种多参数智能传感和物联网气体系统，用于便携式3H-2B检测。这项工作不仅为快速、灵敏的单核细胞增生李斯特菌检测提供了创新的技术途径，还为食品安全提供了智能平台。

部分内容

化学品

本研究中使用的所有试剂均为分析级纯度，通过商业途径购买，无需额外纯化。这些试剂包括二水合氯化锡（SnCl₂·2H₂O）、六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂·6H₂O）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，平均分子量1300000）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）。材料的全面表征和气体传感器测试分别记录在支持信息文本S1和文本S2中。

掺锡ZnO纳米纤维的制备

ZnO的制备过程...

掺锡ZnO纳米纤维的结构表征

图1(b-c)展示了纯ZnO的扫描电子显微镜（SEM）显微图，其中纳米纤维分布均匀，表面相对光滑，平均直径约为80 nm。相比之下，3% Sn-ZnO的SEM图像（图1d-e）显示纳米纤维部分聚集；然而，可以清楚地观察到由较小纳米粒子组成的独特中空管状形态。这种独特结构显著提高了比表面积...

结论

总之，合成的掺锡ZnO对单核细胞增生李斯特菌的生物标志物3H-2B表现出高灵敏度和快速响应速度。通过简单高效的电纺技术结合煅烧工艺，成功制备了掺锡ZnO中空纳米管，有效改变了初始ZnO的微观结构和形态。XPS结果表明，掺锡在ZnO晶格中引入了内在缺陷，从而提高了...

CRediT作者贡献声明

杨树梅：研究、数据管理。李艳：监督、方法学、研究。刘静文：撰写——初稿、数据管理。连晓雪：撰写——审阅与编辑、数据管理

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竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

支持本研究发现的原始数据可向相应作者索取。

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竞争性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（批准号：U2233206）的支持。