利用Au-Pt-CdS异质纳米结构的双模式比色/光热侧向流动免疫分析方法，实现对食品样品中孕酮的高灵敏度检测

《Analytica Chimica Acta》：Dual-mode colorimetric/photothermal lateral flow immunoassay using Au-Pt-CdS Hetero-Nanostructure for highly sensitive detection of progesterone in food samples

　　

郭旭华|赵秋涵|边珊珊|李振毅|唐秉成|张子瑞|王永生|王建龙|纪彦伟

中国西北农林科技大学食品科学与工程学院，杨陵，712100，陕西

摘要：

孕酮（P₄）残留物，无论是由于不当的兽医应用还是环境持久性造成的，都是食品供应链中的已知内分泌干扰物。这突显了需要既灵敏又可靠的分析方法。为此，我们构建了一种双信号输出的侧向流动免疫测定（LFIA），利用比色变化和光热效应来定量检测P₄。该测定使用Au–Pt–CdS异质纳米结构作为多功能信号增强探针。Au–Pt–CdS纳米杂化物在可见光到近红外（VIS–NIR）区域表现出强而宽的光吸收，并具有45.60%的高光热转换效率，从而在两个检测通道中共同放大信号。经过优化后，比色/光热双模式LFIA的检测限（LODs）分别为0.352 ng mL^-1和0.087 ng mL^-1。这些值比基于金纳米粒子（AuNPs）的传统LFIA系统提高了1.7倍和6.9倍的灵敏度。所开发的方法在强化牛奶和猪肉样品中对基质干扰具有很强的抵抗力，回收率在81.49%到123.06%之间，结果具有重复性（RSD < 10%）。因此，这种双模式方法为复杂成分食品系统中类固醇激素残留物的现场监测提供了一个稳健、快速且用户友好的平台。

引言

自全球工业化以来，类固醇激素对生态系统和人类健康构成了重大威胁，污染了土壤、植被和水资源[1]。在畜牧业中，合成和天然的促生长类固醇（包括孕酮（P₄）被广泛滥用，以加速组织生长、提高饲料转化率并增加动物的瘦肉产量——主要是为了最大化经济收益[2]。作为关键的内源性孕激素，P₄调节雌性生殖周期并支持妊娠。P₄及其代谢物在动物源性食品（包括肉类、鸡蛋和乳制品）中持续存在，进入人类食物链，引发了关于生物积累的担忧[3]。长期暴露于高水平的P₄可能会破坏内分泌平衡和生殖功能[4]，并与激素敏感性癌症的较高风险相关[5]。为了减轻这些公共卫生风险，欧盟等监管机构已经对P₄在畜牧业中的使用实施了限制或全面禁令。因此，必须紧急开发快速检测方法，以实现对其添加水平的实时监测。

侧向流动免疫测定（LFIA）由于其高灵敏度、低成本、用户友好性和适用于快速现场检测的特点，在临床诊断、环境监测和食品安全领域得到了广泛应用[6]，[7]。尽管有这些优势，LFIA仍存在固有的局限性，包括高背景干扰、主要依赖定性检测来检测高浓度目标物，以及对低丰度分析物的灵敏度较低，特别是在复杂的食品基质中[8]，[9]。大量研究表明，检测灵敏度在很大程度上取决于抗体信号标签的选择[10]，[11]，[12]。因此，开发新型信号标签以提高LFIA性能仍然是一个关键优先事项。

传统的胶体金纳米粒子（AuNPs）因其低成本、操作简单性和良好的生物相容性而被广泛用作LFIA中的标记探针。然而，它们有限的比表面积和弱的光学局部等离子体共振（LSPR）效应限制了信号放大，使得它们对于低浓度分析物的检测不够灵敏。为了解决这一限制，光热LFIA作为一种有前景的替代方案出现，它利用光热转换来替代对光学散射的依赖。它通过红外热成像实现定量信号读出，从而在复杂基质中提高灵敏度和准确性。金纳米三脚架（AuNTs）由于其定制的LSPR特性，在近红外（NIR，600–900 nm）区域表现出强光吸收和高效的光热转换[13]，使其成为光热应用的理想候选者。用CdS半导体对AuNTs进行表面功能化形成了金属-半导体异质结，拓宽了吸收光谱并提高了光热效率——使得在宽光谱照明下有效运行成为可能[14]，[15]。此外，铂（Pt）纳米粒子作为催化中心，不仅促进了光热-催化反应的协同作用，还捕获了AuNTs产生的热电子，从而增强了局部加热并提高了热稳定性[16]，[17]。将金属、半导体和催化组分集成到单一的Au–Pt–CdS结构中，显著提高了光热转换效率、热稳定性和分析灵敏度——特别是对于痕量分析物的检测——从而克服了单组分系统的性能限制，为高精度LFIA应用展示了明显优势。

为了克服由于传统标签信号放大能力弱而导致的LFIA灵敏度限制，本研究开发了一种可控的合成策略，在Au纳米三角形的尖端选择性地沉积Pt纳米粒子，同时在它们的侧面涂覆CdS层，形成了定义明确的Au–Pt–CdS异质结构。利用这种结构，我们开发了一种Au–Pt–CdS–LFIA，用于超灵敏的P₄检测。通过结合可见光范围内的比色响应（便于现场视觉评估）和NIR诱导的光热传感（通过热成像量化），这种异质结构规避了单模检测平台的固有缺点。Au–Pt–CdS异质结构在LFIA中提供了三个关键优势：首先，由于其混合纳米级结构和扩展的表面积，该平台表现出增强的抗体固定效率[18]，[19]，相对于标准金纳米粒子提高了分析物的捕获能力。其次，核心-壳层设计——以Au纳米三角形为核心和双组分Pt/CdS外层——协同增强了LSPR，显著提高了光热转换效率。第三，该系统结合了快速的比色视觉筛查和热成像实现的高精度量化。这种双模式配置使得能够在复杂的食品基质（包括乳制品和肉类）中实时、现场量化超低水平的P₄，同时建立了一个可扩展的、设备最少的平台，用于灵敏且用户友好的食品安全监测。该平台不仅提高了检测能力，超越了传统的基于金的系统，还为检测多种类固醇激素提供了通用框架。它提供了一个集成且易于部署的工具，支持实际食品安全功能的快速筛查。

章节片段

Au-Pt-CdS的合成

我们使用种子介导的生长技术制备了Au NTs[20]：首先将100 μL的10 mM NaI混合到20 mL的50 mM CTAB中，然后依次加入5 mL的Au NTs、30 μL的5 mM AgNO₃和480 μL的0.1 M AA。混合物在70 °C下孵育1小时，然后加入90 μL的5 mM K₂PtCl₆，随后在70 °C下继续孵育4小时。对于Au–Pt–CdS异质结构的合成，向5 mL的Au–Pt溶液中分别加入1 mL的

基于Au-Pt-CdS的LFIA试纸条策略

利用Au–Pt–CdS纳米复合材料的LFIA平台通过间接竞争免疫测定机制运行（图1C）。在较高水平的P₄下，分析物选择性地结合到悬浮在流动缓冲液中的纳米粒子偶联的单克隆抗体（mAbs）上，形成抗原-抗体复合物。通过从T区锚定的P₄–BSA结合物中竞争性地置换标记的mAbs，这些复合物抑制了显色信号，使其减弱或完全消除

结论

总之，本研究提出了一种可控的合成策略，能够在Au纳米三角形的顶端选择性地沉积Pt纳米粒子，然后在侧面生长CdS壳层——形成了定义明确的Au–Pt–CdS异质结构。这些异质结构随后被集成到双信号LFIA中。所得到的纳米探针在水溶液中表现出更好的分散性和强烈的比色响应。作为一种多功能示踪剂，Au–Pt–CdS利用了协同的等离子体效应

CRediT作者贡献声明

王永生：指导。王建龙：指导。郭旭华：撰写——原始草稿、方法学、研究。纪彦伟：撰写——审阅与编辑、指导、项目管理。李振毅：撰写——审阅与编辑、数据管理。唐秉成：数据管理。赵秋涵：撰写——审阅与编辑、数据管理。边珊珊：撰写——审阅与编辑、数据管理。张子瑞：数据管理

数据可用性

数据将应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2021YFD12003）、国家自然科学基金项目（31801627）、陕西省重点研发计划（2025NC-YBXM-176）以及中国博士后科学基金会的普通财政资助（2020M683580）的财政支持。