灵敏表面等离子体共振传感器利用绿色合成Ag/rGO-戊二醛纳米等离子体传感层区分猪明胶和牛明胶

《Next Materials》：Sensitive surface plasmon resonance sensor for differentiation of porcine and bovine gelatin using a green-synthesized Ag/rGO-glutaraldehyde nanoplasmonic sensing layer

　　

一种结合银/还原氧化石墨烯-戊二醛纳米复合物（Ag/rGO-GA NCs）作为活性传感界面的局部表面等离子体共振（LSPR）传感器，成功在1–5 mg/mL浓度范围内区分猪明胶和牛明胶，突显其在快速明胶鉴别和清真验证中的潜力。Ag/rGO-GA纳米复合物通过使用皱果苋（Amaranthus viridis）提取物的绿色路线合成，并集成到具有棱镜/金薄膜/(Ag/rGO-GA)/明胶/空气层结构的Kretschmann构型中。该传感器展现出对明胶吸附高度敏感的显著LSPR响应。在传感器表面添加Ag/rGO-GA层使得表面等离子体共振（SPR）角度偏移0.24°，同时最小反射率增加0.16，半高全宽（FWHM）变化0.49°。随后明胶在传感器表面的结合导致明显的SPR角度偏移和最小反射率随明胶浓度增加而增大。这些增强的响应在猪明胶中比牛明胶更为显著，表明传感界面有效折射率变化更大，这可能与两种明胶来源的氨基酸组成、分子量分布和吸附行为差异有关。该传感器的检测限（LOD）为0.049–0.116 mg mL?1，证明Ag/rGO-GA功能化通过增强等离子体响应显著放大了SPR信号，实现了对明胶来源的灵敏和区分性检测。这种绿色工程化纳米等离子体平台进一步为未来清真验证和透明食品供应链的可持续、便携和可扩展传感技术开辟了路径。

研究背景：明胶是一种胶原衍生生物聚合物，广泛应用于制药、生物医学、化妆品和食品领域。然而，其动物来源（猪源和牛源）在宗教和伦理方面至关重要，尤其是穆斯林消费者禁止使用猪明胶。现有鉴别方法如等电聚焦、肽谱分析、酶联免疫吸附试验（ELISA）、色谱法、聚合酶链反应（PCR）、红外光谱和质谱法，虽可靠但存在样品制备复杂、劳动强度大、成本高、需熟练操作者等局限性。此外，蛋白质基方法在加工食品中因蛋白质变性而效果降低，PCR受限于降解DNA，免疫分析法受抗体交叉反应影响。因此，亟需开发快速、免标记、实时、便携的传感平台用于明胶鉴别。表面等离子体共振（SPR）生物传感器具有高灵敏度、快速响应、低成本和最小样品制备等优势，但其对低折射率小分子的灵敏度有限。银纳米颗粒（Ag NPs）具有强局域表面等离子体共振（LSPR）响应，但易氧化；还原氧化石墨烯（rGO）可作为稳定载体抑制氧化并增强SPR灵敏度。传统rGO合成依赖有害还原剂，绿色合成策略利用植物提取物（如皱果苋）作为还原剂和稳定剂，具有环保和低成本优势。此外，戊二醛（GA）作为化学交联剂，可稳定固定明胶。此前研究虽展示了Ag/rGO纳米复合物的SPR增强潜力，但未系统研究其结合共价交联用于区分猪牛明胶。本研究在此基础上引入绿色合成Ag/rGO-GA传感层，实现可重复、定量的SPR响应，用于明胶来源的无标记区分。

研究内容：研究人员开发了一种基于绿色合成Ag/rGO-GA纳米复合物的SPR传感器，用于区分猪明胶和牛明胶。通过表征（透射电镜TEM、场发射扫描电镜FESEM、X射线衍射XRD、紫外-可见光谱UV-Vis、傅里叶变换红外光谱FTIR）和LSPR测量（Kretschmann构型，棱镜/Au薄膜/Ag/rGO-GA/明胶/空气结构），研究了浓度范围1–5 mg/mL下两种明胶的SPR响应，并获得了检测限（LOD）为0.049–0.116 mg/mL。结果表明，该传感器能有效区分猪牛明胶，为清真验证提供了可持续、便携、可扩展的传感平台。论文发表在《Next Materials》。

关键技术与方法：研究人员采用绿色合成法：利用皱果苋（Amaranthus viridis）提取物的还原性，将银离子原位还原并负载于rGO片层上，制备Ag/rGO纳米复合物；随后通过3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）硅烷化和戊二醛（GA）交联，形成Ag/rGO-GA纳米复合物（Ag/rGO-GA NCs）。SPR传感器构建采用Kretschmann构型，包括BK-7棱镜（折射率n=1.5151）、热蒸发沉积的~40 nm金（Au）薄膜、超声分散沉积的Ag/rGO-GA NCs层，以及猪/牛明胶溶液（取自Sigma-Aldrich）涂覆。LSPR测量使用He-Ne激光（λ=632.8 nm）配合偏振器和半圆柱棱镜，通过角度扫描获取反射率曲线。

研究结果：
1. **Ag/rGO-APTES-GA交联机理**：通过酚类化合物还原Ag?形成Ag NPs，与rGO上的含氧官能团相互作用；GA的醛基与rGO的羟基形成缩醛环，进而与明胶的赖氨酸残基形成席夫碱，构建稳定交联网络。
2. **Ag/rGO-GA纳米复合物表征**：
- *结构与形貌分析*：TEM显示GA引入后Ag NPs平均粒径从~16.3 nm降至~10.43 nm，分布更窄且均匀；选区电子衍射（SAED）确认面心立方（FCC）结构。
- *形貌与元素组成*：FESEM显示Ag NPs均匀分散于rGO片层；能量色散X射线光谱（EDS）定量结果：C 62.7 wt%、O 19.2 wt%、Ag 17.7 wt%、N 0.4 wt%。
- *晶体结构*：XRD显示Ag的(111)、(200)、(220)、(311)衍射峰，晶粒尺寸9.29 nm；rGO特征宽峰(002)表明无序结构。
- *光学性质*：UV-Vis显示Ag NPs LSPR峰约430 nm，Ag/rGO峰移至434–455 nm；光学带隙在GA修饰后变化微小（~3.20 eV），猪明胶和牛明胶吸附后分别增至3.60 eV和3.40 eV。
- *官能团分析*：FTIR确认Ag/rGO-GA复合物形成，明胶的酰胺I–III带基本不变，表明主链结构保持完整。
3. **LSPR行为研究**：
- 添加Ag/rGO-GA层使SPR角偏移+0.24°，最小反射率从0.20增至0.36，FWHM从1.39°增至1.88°，表明有效折射率增加和光学损耗增大。
- 重复性测试显示SPR角均值45.22°，标准偏差±0.125°，表明优良稳定性。
- 随着明胶浓度增加，SPR角（θ_LSPR）和最小反射率（R_min）线性增大；猪明胶的Δθ（0.32–0.66°）和R_min（0.39–0.68）大于牛明胶（Δθ=0.16–0.59°，R_min=0.36–0.65）。
- FWHM随浓度增大，猪明胶在低浓度时FWHM较窄，高浓度时显著增宽，与牛明胶行为不同，归因于两者氨基酸组成、分子量分布和吸附行为的差异。
- 检测精度（DA）与FWHM成反比，随浓度降低。
- 基于对数拟合，Ag/rGO-GA-猪明胶传感器LOD为0.049 mg/mL，牛明胶为0.116 mg/mL，优于传统SPR（0.22–0.66 mg/mL）和多种方法相比具有操作简便的优势。

总结讨论：研究人员通过将绿色合成的Ag/rGO-GA纳米复合物集成到SPR传感器中，实现了对猪明胶和牛明胶的灵敏鉴别。增强的LSPR响应源于Ag NPs的局域场效应和rGO的高表面吸附能力，GA交联层稳定了明胶固定。猪明胶产生更强的信号变化，与其更高的氨基酸密度、分子量及界面吸附能力相关。该传感器检测限优于传统SPR，且具有免标记、实时检测优势，为清真验证和食品供应链透明化提供了可持续、便携的传感方案。

研究结论翻译：在本研究中，基于SPR的传感器利用Ag/rGO-GA活性材料成功检测了来自猪和牛来源的明胶，浓度变化为1 mg/mL、2 mg/mL、3 mg/mL、4 mg/mL和5 mg/mL。浓度变化决定了分析物浓度对LSPR曲线的影响。SPR曲线分析结果表明，将Ag/rGO-GA NCs集成到棱镜/Au薄膜/空气层结构中，使得LSPR角随明胶浓度增加而向更大值偏移。此外，随着浓度升高，θ_LSPR和R_min值在检测明胶时均增加。Ag/rGO-GA NCs成功放大了显著信号，LOD值为0.049–0.116 mg/mL。这些结果低于应用相同方法的早期研究。添加具有更大表面积的GA促进了明胶（猪和牛）与传感器表面的接触，如LSPR角偏移、R_min和LOD值所示。因此，Ag/rGO-GA NCs作为活性材料可以增强基于SPR的传感器检测目标分析物的性能。