Draadloze magneto-elastische nanobiosensor realiseert ultra-gevoelige atrazine-detectie

Terwijl atrazine effectief onkruiden onderdrukt, is het een krachtige endocrien-verstorer en is gekoppeld aan kanker, geboortedefecten, en organschade bij mensen en dieren. De US Environmental Protection Agency (EPA) beperkt atrazine in drinkwater tot 3 µg L⁻¹ (Lifetime Health Advisory Level). Accuraat, lage-concentratie detectie is daarom essentieel.

Conventionele analytische methoden zoals LC-MS, HPLC, en GC-MS bieden hoge nauwkeurigheid maar lijden onder hoge kosten, grote instrumentatie, en lange verwerkingstijden. Het magneto-elastische (ME) sensor-platform, gebaseerd op amorfe ferromagnetische legeringen (bijv. Metglas 2826 MB), biedt een laag-kost, hoog-gevoelig, en geminiaturiseerde alternatief. De ME-sensor trilt op een resonantiefrequentie bepaald door materiaalaafmetingen en mechanische eigenschappen, en elke toegevoegde massa veroorzaakt een meetbare frequentieverschuiving, wat massa-detectie mogelijk maakt voor fysieke, chemische, en biologische analyte. Tot nu toe is geen ME-sensor gerapporteerd voor atrazine-detectie.

Hier presenteren wij een draadloze ME-nanobiosensor die een ME-substraat integreert met AuNPs en een proteïne A-georiënteerd atrazine-antistof om ppb-niveau detectie van atrazine te bereiken. Het systeem gebruikt een directe competitieve immuno-assay, waar Atr-BSA concurrenceert met vrij atrazine voor antistof-binding, wat de massabelasting en de resulterende frequentieverschuiving versterkt. De geoptimaliseerde sensor biedt een lineaire respons over een breed concentratiebereik en voldoet aan regelgevende eisen.

Materialen en Methodes

Materialen

Atrazine-antistof, Atr-BSA, atrazine, en proteïne A werden bezorgd door EastCoast Bio (Maine, VS). Simazine, prometryn, en DDT werden verkregen van Chengdu Huaxia Chemical Reagent Co., Ltd. Cysteamine, EDC, NHS, BSA, en PBS (pH 7,4) werden gekocht van Sigma-Aldrich.

ME-Nanobiosensor Fabricatie

Voorbereiding van het ME-Nanosensor-Platform

ME-stroken (Metglas 2826 MB) werden geknipt tot 5 mm × 1 mm × 0,028 mm en ultrasoon gereinigd in aceton en ethanol, daarna gedroogd met stikstof (Fig. 1a). Een 100-nm chroom-zaadlaag werd gesputterd om adhesie te bevorderen, gevolgd door AuNP-belaging aan beide kanten. Scanning elektronenmicroscopie bevestigde een spherische AuNP-verdeling. De stroken werden geanneald bij 200 °C gedurende 2 uur om spanning te verlichten en AuNP-adhesie te verbeteren, wat een klaar platform opleverde (Fig. 1b).

Atrazine-Antistof Immobilisatie

De AuNP-belagen stroken werden gespoeld met aceton, isopropanol, gedeioniseerd water, en ethanol, daarna gedroogd. Ze werden gedoopt in 10 mM cysteamine gedurende 12 uur om een zelf-geassembleerde monolaag (SAM) te vormen (Fig. 1c). Proteïne A (1 mg mL⁻¹) werd geactiveerd met EDC/NHS (4 mg mL⁻¹ elk) gedurende 30 min, geïnculeerd op de SAM gedurende 30 min bij 37 °C en gespoeld met PBS (Fig. 1d). Atrazine-antistof werd toegevoegd gedurende 50 min, gewassen, en vervolgens geblokkeerd met 0,5% BSA gedurende 30 min om niet-specifieke adsorptie te verminderen (Fig. 1e-f). De voltooide ME-nanobiosensoren waren klaar voor analyse (Fig. 1g).

Signaalmeting

De resonantiefrequentie werd gemeten met behulp van een opname-spoel omringend een flesje, aangedreven door een vector-netwerk-analyser (AV3620A). Een statisch magneetveld van een staafmagneet versterkte de resonantie. Sensoren werden draadloos in 30 µL testmonsters in PBS (pH 7,4) bij 25 ± 2 °C geplaatst. De S₁₁ parameter werd elke 5 min opgenomen om de frequentieverschuiving te volgen.

Resultaten en Discussie

Karakterisering van de Nanobiosensor-Oppervlaktemorfologie

AFM-beeldvorming bevestigde succesvolle antistof-immobilisatie. Het AuNP-belagde oppervlak vertoonde een hoogtevariatie van 13,4 nm, die steeg tot 28,4 nm na antistof-hechting—consistent met de ~15 nm diameter van IgG-moleculen (Fig. 3a-b).

Optimalisatie voor Concentratie van Atrazine-Antistof

Sensor-respons piekte bij 50 µg mL⁻¹ antistof-belading. Hogere concentraties (75 µg mL⁻¹) veroorzaakten sterische hinder, wat gevoeligheid verlaagde (Fig. 4). Dus, 50 µg mL⁻¹ werd geselecteerd als optimaal.

Optimalisatie voor Concentratie van Atr-BSA

Competitive binding was maximaal bij 40 µg mL⁻¹ Atr-BSA (Fig. 5). Deze concentratie leverde de grootste frequentieverschuiving en werd gebruikt in daaropvolgende assays.

Atrazine Detectie

Real-time monitoring toonde een duidelijke, omgekeerd evenredige verschuiving in resonantiefrequentie met toenemende atrazine-concentraties (0–100 µg mL⁻¹). Het signaal plateau-de na ~50 min (Fig. 6). Niet-specifieke adsorptie was verwaarloosbaar, zoals gedemonstreerd door de blanco-controle (<48 Hz verschuiving).

De kalibratiecurve (Fig. 7) is lineair met de logaritme van de concentratie (Δf = 54,717 log C_Atrazine – 442,45, R² = 0,971). Gevoeligheid is 3,43 Hz µg⁻¹ mL, en de LOD is 1 ng mL⁻¹, ver onder de EPA-limiet. De directe competitieve immuno-assay-formaat, gecombineerd met Atr-BSA-versterking, levert snelle, eenmalige, en draadloze detectie.

ME-Nanobiosensor Specificiteit

Testen met 100 µg mL⁻¹ van prometryn, simazine, en DDT onthulde minimale kruis-reactiviteit; de sensor discrimineerde atrazine van structureel vergelijkbare triazines en organochlorine-insecticiden (Fig. 8). Dit bevestigt hoge specificiteit.

ME-Nanobiosensor Stabiliteit

Zes identieke sensoren opgeslagen bij 4 °C werden getest met 10 ng mL⁻¹ atrazine elke twee dagen gedurende 6 dagen. De relatieve standaarddeviatie was 1,8%, wat uitstekende lange-termijn-stabiliteit aangeeft (Fig. 9).

Conclusies

Wij hebben een draadloze ME-nanobiosensor ontworpen die real-time, hoog-gevoelige atrazine-detectie levert door een proteïne A-georiënteerde antistof-indeling en Atr-BSA-gemediëerde signaalversterking. Met 50 µg mL⁻¹ antistof en 40 µg mL⁻¹ Atr-BSA, bereikt de sensor een lineair bereik van 1 ng mL⁻¹–100 µg mL⁻¹, een gevoeligheid van 3,43 Hz µg⁻¹ mL, en een LOD van 1 ng mL⁻¹—ver onder regelgevende limieten. AFM-validatie bevestigt georiënteerde antistof-immobilisatie, en het platform toont robuuste specificiteit en stabiliteit. De lage kosten, eenmaligheid, en draadloze aard van de sensor maken het een aantrekkelijk hulpmiddel voor het monitoren van atrazine en andere milieuverontreinigingen in water.