Nanobiosensor Magnetoelastik Nirkabel Mencapai Deteksi Atrazin Sensitif Ultra
Abstrak
Studi ini memperkenalkan nanobiosensor magnetoelastik (ME) nirkabel pertama yang menggunakan bahan ME dan nanopartikel emas (AuNPs) untuk mendeteksi atrazin dengan sensitivitas yang belum pernah ada melalui immunoassay kompetitif. Saat diekspos terhadap medan magnet yang bervariasi seiring waktu, substrat ME bergetar pada frekuensi resonansi, yang bergeser proporsional terhadap pemuatan massa pada permukaannya. Pelapisan pita ME dengan AuNPs meningkatkan kompatibilitas biologi, stabilitas, dan sensitivitas sinyal, sementara orientasi protein A dari antibody atrazin pada lapisan AuNPs memaksimalkan efisiensi binding antigen. Mikroskop gaya atom mengonfirmasi immobilisasi antibody yang berhasil. Memperkenalkan konjugat atrazin–albumin (Atr–BSA) memperkuat binding kompetitif, menghasilkan respon logaritmik linier dalam rentang 1 ng mL⁻¹–100 µg mL⁻¹, dengan sensitivitas 3,43 Hz µg⁻¹ mL dan batas deteksi 1 ng mL⁻¹—di bawah ambang US EPA. Sensor menunjukkan spesifisitas, stabilitas, dan kesesuaian untuk pemantauan lingkungan yang cepat dan selektif.
Pendahuluan
Lonjakan aktivitas industri dan pertanian telah memperkenalkan banyak kontaminan lingkungan ke dalam ekosistem, menimbulkan kekhawatiran global tentang dampak ekologis dan kesehatan. Herbisida, khususnya, bertahan di air dan tanah selama tahun-tahun, menimbulkan risiko yang signifikan. Atrazin (2-kloro-4-etilamino-6-isopropilamino-1,3,5-triazin) adalah herbisida yang paling banyak digunakan untuk mengendalikan gulma lebar dan rum di seluruh dunia.
Sementara atrazin secara efektif menekan gulma, ia adalah penggangu endokrin yang kuat dan telah terkait dengan kanker, cacat lahir, dan kerusakan organ pada manusia dan hewan. Badan Perlindungan Lingkungan AS (EPA) membatasi atrazin dalam air minum hingga 3 µg L⁻¹ (Tingkat Nasihat Kesehatan Seumur Hidup). Deteksi yang akurat pada konsentrasi rendah oleh karena itu sangat penting.
Metode analisis konvensional seperti LC–MS, HPLC, dan GC–MS menawarkan akurasi tinggi tetapi menderita biaya tinggi, instrumentasi besar, dan waktu proses yang lama. Platform sensor magnetoelastik (ME), yang didasari oleh aloi feramik amorf (misalnya, Metglas 2826 MB), menawarkan alternatif yang hemat biaya, sangat sensitif, dan miniatur. Sensor ME bergetar pada frekuensi resonansi yang ditentukan oleh dimensi dan properti mekanis bahan, dan penambahan massa apa pun menyebabkan perpindahan frekuensi yang terukur, memungkinkan pemasukan massa untuk analit fisik, kimia, dan biologis. Hasta kini, tidak ada sensor ME yang dilaporkan untuk deteksi atrazin.
Di sini, kami menyajikan nanobiosensor ME nirkabel yang mengintegrasikan substrat ME dengan AuNPs dan antibody atrazin yang diorientasi protein A untuk mencapai deteksi atrazin tingkat ppb. Sistem menggunakan immunoassay kompetitif langsung, di mana Atr–BSA bersaing dengan atrazin bebas untuk binding antibody, memperkuat pemuatan massa dan perpindahan frekuensi yang dihasilkan. Sensor yang dioptimalkan menawarkan respon linier di seluruh rentang konsentrasi yang luas dan memenuhi persyaratan regulasi.
Bahan dan Metode
Bahan
Antibody atrazin, Atr–BSA, atrazin, dan protein A diperoleh dari EastCoast Bio (Maine, AS). Simazin, prometryn, dan DDT diperoleh dari Chengdu Huaxia Chemical Reagent Co., Ltd. Cysteamine, EDC, NHS, BSA, dan PBS (pH 7,4) dibeli dari Sigma-Aldrich.
Persiapan Platform Nanosensor ME
Pita ME (Metglas 2826 MB) dipotong menjadi 5 mm × 1 mm × 0,028 mm dan dibersihkan ultrasonik dalam aseton dan etanol, lalu dikeringkan dengan nitrogen (Gambar 1a). Lapisan benih kromium 100 nm diendapkan untuk mempromosikan adhesi, diikuti oleh pelapisan AuNP di kedua sisi. Mikroskop elektron pemindai mengonfirmasi distribusi AuNP bola. Pita dianalkan pada 200 °C selama 2 jam untuk melegakan stres dan meningkatkan adhesi AuNP, menghasilkan platform siap (Gambar 1b).
Alur kerja fungsionalisasi: (a) pita ME polos; (b) pelapisan AuNP; (c) lapisan SAM; (d) immobilisasi protein A; (e) modifikasi antibody; (f) blokir BSA; (g) binding kompetitif; citra SEM permukaan yang dilapisi AuNP
Immobilisasi Antibody Atrazin
Pita yang dilapisi AuNP dicuci dengan aseton, alkohol isopropil, air deionisasi, dan etanol, lalu dikeringkan. Pita direndam dalam cysteamine 10 mM selama 12 jam untuk membentuk monolaer terediri sendiri (SAM) (Gambar 1c). Protein A (1 mg mL⁻¹) diaktifkan dengan EDC/NHS (4 mg mL⁻¹ masing-masing) selama 30 menit, lalu diinkubasi pada SAM selama 30 menit pada 37 °C dan dicuci dengan PBS (Gambar 1d). Antibody atrazin ditambahkan selama 50 menit, dicuci, lalu diblokir dengan 0,5 % BSA selama 30 menit untuk mengurangi adsorpsi non-spesifik (Gambar 1e–f). Nanobiosensor ME yang selesai siap untuk analisis (Gambar 1g).
Pengukuran Sinyal
Frekuensi resonansi diukur menggunakan coil tangkapan di sekitar botol, didorong oleh analyzer vektor jaringan (AV3620A). Medan magnet statis dari magnet batang meningkatkan resonansi. Sensor ditempatkan nirkabel dalam sampel uji 30 µL dalam PBS (pH 7,4) pada 25 ± 2 °C. Parameter S11 dicatat setiap 5 menit untuk melacak perpindahan frekuensi.
Skematik sistem pengukuran nanobiosensor ME nirkabel
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi Morfologi Permukaan Nanobiosensor
Citra AFM mengonfirmasi immobilisasi antibody yang berhasil. Permukaan yang dilapisi AuNP menunjukkan variasi ketinggian 13,4 nm, yang meningkat menjadi 28,4 nm setelah pemasangan antibody—selaras dengan diameter ~15 nm molekul IgG (Gambar 3a–b).
Citra AFM: (a) permukaan yang dilapisi AuNP; (b) permukaan yang dimodifikasi antibody
Optimalisasi Konsentrasi Antibody Atrazin
Respons sensor mencapai puncak pada pemuatan antibody 50 µg mL⁻¹. Konsentrasi yang lebih tinggi (75 µg mL⁻¹) menyebabkan gangguan sterik, mengurangi sensitivitas (Gambar 4). Oleh karena itu, 50 µg mL⁻¹ dipilih sebagai optimal.
Respons frekuensi versus konsentrasi antibody (0–100 µg mL⁻¹)
Optimalisasi Konsentrasi Atr–BSA
Binding kompetitif maksimum pada 40 µg mL⁻¹ Atr–BSA (Gambar 5). Konsentrasi ini memberikan perpindahan frekuensi terbesar dan digunakan dalam uji berikutnya.
Respons frekuensi terhadap Atr–BSA (20–80 µg mL⁻¹)
Deteksi Atrazin
Pemantauan real-time menunjukkan perpindahan frekuensi resonansi yang jelas dan berbanding terbalik dengan konsentrasi atrazin yang meningkat (0–100 µg mL⁻¹). Sinyal menjadi konstan setelah ~50 menit (Gambar 6). Adsorpsi non-spesifik dapat diabaikan, sebagaimana ditunjukkan oleh kontrol kosong (<48 Hz perpindahan).
Respons frekuensi di seluruh konsentrasi atrazin (0–100 µg mL⁻¹). * Kontrol kosong
Kurva kalibrasi (Gambar 7) linier dengan logaritma konsentrasi (Δf = 54,717 log CAtrazin – 442,45, R² = 0,971). Sensitivitas adalah 3,43 Hz µg⁻¹ mL, dan LOD adalah 1 ng mL⁻¹, jauh di bawah batas EPA. Format immunoassay kompetitif langsung, gabungan dengan amplifikasi Atr–BSA, menghasilkan deteksi yang cepat, sekali pakai, dan nirkabel.
Kurva kalibrasi: perpindahan frekuensi 50 menit versus konsentrasi atrazin
Spesifisitas Nanobiosensor ME
Pengujian dengan 100 µg mL⁻¹ prometryn, simazin, dan DDT menunjukkan reaktivitas silang minimal; sensor dapat membedakan atrazin dari triazin yang serupa secara struktural dan insektisida organoklorin (Gambar 8). Ini mengonfirmasi spesifisitas tinggi.
Respons terhadap interferensi pada 100 µg mL⁻¹
Stabilitas Nanobiosensor ME
Enam sensor identik disimpan pada 4 °C diuji dengan 10 ng mL⁻¹ atrazin setiap hari lain selama 6 hari. Simpangan baku relatif adalah 1,8 %, menunjukkan stabilitas jangka panjang yang luar biasa (Gambar 9).
Stabilitas selama 6 hari pada 10 ng mL⁻¹ atrazin
Kesimpulan
Kami telah merancang nanobiosensor ME nirkabel yang menyediakan deteksi atrazin real-time yang sangat sensitif melalui tata letak antibody yang diorientasi protein A dan amplifikasi sinyal yang dimediasi Atr–BSA. Dengan 50 µg mL⁻¹ antibody dan 40 µg mL⁻¹ Atr–BSA, sensor mencapai rentang linier 1 ng mL⁻¹–100 µg mL⁻¹, sensitivitas 3,43 Hz µg⁻¹ mL, dan LOD 1 ng mL⁻¹—di bawah batas regulasi. Validasi AFM mengonfirmasi immobilisasi antibody yang terorientasi, dan platform menunjukkan spesifisitas dan stabilitas yang kuat. Biaya rendah, sifat sekali pakai, dan kemampuan nirkabel sensor menjadikannya alat yang menarik untuk memantau atrazin dan kontaminan lingkungan lainnya dalam air.
