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研究作者及发表信息

该研究由Sarbjeet Kaur、Pankaj Singla、Amy J. Dann、Jake McClements、Mark V. Sullivan、Minji Kim、Sloane Stoufer、James A. Dawson、Robert D. Crapnell、Craig E. Banks、Nicholas W. Turner、Matthew D. Moore、Inderpreet Kaur和Marloes Peeters共同完成。研究发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊，发表日期为2024年9月12日。

学术背景

该研究的主要科学领域为生物传感器和分子印迹聚合物（Molecularly Imprinted Polymers, MIPs）。研究背景基于诺如病毒（Norovirus, NoV）作为全球食源性疾病的主要病原体，其检测方法通常昂贵、灵敏度不足且依赖生物受体，稳定性较差。因此，研究旨在开发一种低成本、高稳定性且高灵敏度的诺如病毒检测方法，以替代传统的生物受体（如抗体）。研究目标是通过分子印迹聚合物纳米颗粒（Nanomips）结合电化学和热检测技术，实现对诺如病毒的高效检测。

研究流程

研究流程分为以下几个主要步骤：

1. Nanomips的合成与表征
   研究采用固相合成法制备了三种不同单体组成的Nanomips（Nanomip-1、Nanomip-2和Nanomip-3）。合成过程中，研究人员选择诺如病毒GII.4株的P1亚结构域中一段12个氨基酸的表位（epitope）作为模板。通过动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）对Nanomips的尺寸和形态进行表征，结果显示其粒径在200-250 nm之间，且具有球形形态。

2. 表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）分析
   使用SPR技术评估了Nanomips与诺如病毒样颗粒（NoV-LPs）的结合亲和力。结果显示，Nanomip-1的结合亲和力最高，其平衡解离常数（Kd）为0.512 μM。此外，Nanomips对非目标表位的选择性也进行了验证，结果表明其具有良好的特异性。

3. 电化学传感器的开发
   研究人员将Nanomips共价连接到玻碳电极（Glassy Carbon Electrodes, GCEs）上，开发了一种电化学传感器。通过电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）测试了传感器对NoV-LPs的响应。结果显示，Nanomip-1的检测限（Limit of Detection, LOD）为3.4 pg/mL（1.9 × 10^5 particles/mL），表现出极高的灵敏度。

4. 热传感器的开发
   为了进一步验证Nanomip-1的性能，研究人员将其固定在丝网印刷电极（Screen-Printed Electrodes, SPEs）上，并开发了一种热传感器。热检测结果显示，Nanomip-1的检测限为6.5 pg/mL（3.7 × 10^5 particles/mL），且检测时间短于45分钟，显著优于传统的ELISA免疫检测方法。

5. 实际食品样本中的检测
   研究人员在罗马生菜（Romaine Lettuce）中进行了诺如病毒的检测实验。电化学和热传感器均成功检测到NoV-LPs，证明了该技术在复杂食品基质中的适用性。

主要结果

1. Nanomips的合成与表征
   Nanomip-1、Nanomip-2和Nanomip-3的粒径分别为241.3 nm、209.3 nm和210.0 nm，且其多分散指数（PDI）均低于0.2，表明纳米颗粒具有较高的均一性。TEM结果显示，Nanomips在干燥状态下呈现球形，尺寸为100-120 nm。

2. SPR分析
   Nanomip-1对目标表位、P结构域和NoV-LPs的Kd值分别为0.328 μM、0.665 μM和0.512 μM，表明其具有极高的结合亲和力。此外，Nanomips对非目标表位的选择性测试显示，其Kd值显著高于目标表位，证明了其良好的特异性。

3. 电化学传感器性能
   Nanomip-1和Nanomip-2对P结构域的检测限分别为1.2 pg/mL和5.0 pg/mL，对NoV-LPs的检测限分别为3.4 pg/mL和3.9 pg/mL。与传统的ELISA方法相比，Nanomip传感器的灵敏度提高了约4000倍。

4. 热传感器性能
   Nanomip-1对NoV-LPs的检测限为6.5 pg/mL，且检测时间显著缩短。此外，热传感器在罗马生菜样本中的检测结果也证明了其在复杂食品基质中的适用性。

结论

该研究成功开发了一种基于Nanomips的诺如病毒检测传感器，具有高灵敏度、高稳定性、低成本等优势。电化学和热传感器的检测限分别达到3.4 pg/mL和6.5 pg/mL，显著优于传统方法。此外，该传感器在实际食品样本中的成功检测证明了其在食品安全领域的应用潜力。研究结果表明，Nanomips可以替代传统的生物受体，成为诺如病毒检测的理想选择。

研究亮点

1. 高灵敏度检测：Nanomip传感器的检测限达到pg/mL级别，显著优于传统方法。
2. 高稳定性：Nanomips在极端条件下（如高温、pH变化）仍能保持其结合亲和力。
3. 实际应用验证：传感器在复杂食品基质中的成功检测证明了其在实际应用中的潜力。
4. 低成本与便携性：电化学和热传感器的开发为低成本、便携式检测设备提供了可能。

其他有价值的内容

研究还通过密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算了单体与表位之间的结合能，进一步验证了Nanomips的结合机制。此外，研究人员提出了未来研究方向，包括开发针对其他诺如病毒株的Nanomips传感器，以及进行更广泛的包容性测试。