A recognition-enhanced colorimetric sensor based on molecularly imprinted CoFe LDH nanozymes for detection of enrofloxacin in real water samples

L'acqua è il sangue vitale del nostro pianeta, ma è anche un luogo dove i prodotti chimici che usiamo ogni giorno possono accumularsi. Uno di questi prodotti chimici è l'enrofloxacina, un potente antibiotico utilizzato per trattare le infezioni nel bestiame e nell'acquacoltura. Sebbene aiuti gli animali a mantenersi in salute, il farmaco finisce spesso nei fiumi e nei laghi attraverso il letame e le acque reflue. Poiché si decompone molto lentamente, può accumularsi nell'ambiente, potenzialmente danneggiando gli ecosistemi ed entrando nella catena alimentare. Rilevare queste tracce è fondamentale per proteggere la qualità dell'acqua, ma gli attuali metodi sono spesso lenti, costosi e richiedono attrezzature di laboratorio complesse. Gli scienziati cercano da tempo un modo più semplice per individuare questi contaminanti rapidamente, idealmente utilizzando un metodo che cambi colore per mostrare ciò che è presente, proprio come un test della cartina al tornasole, ma con la capacità di distinguere un prodotto chimico specifico tra migliaia di altri.

Per risolvere questo problema, i ricercatori si sono rivolti a una combinazione intelligente di due idee scientifiche: i nanozimi e l'imprinting molecolare. Un nanozima è una minuscola particella artificiale che agisce come un enzima naturale, accelerando le reazioni chimiche. In questo caso, gli scienziati hanno utilizzato un materiale composto da cobalto e ferro che si comporta come un catalizzatore naturale, trasformando un liquido trasparente in blu quando mescolato con il perossido di idrogeno. Tuttavia, questi nanozimi sono solitamente troppo impetuosi nella reazione; non possono distinguere il contaminante bersaglio da altre sostanze chimiche simili. È qui che entra in gioco l'imprinting molecolare. Immaginate di prendere lo stampo di un oggetto specifico, rimuovere l'oggetto e lasciare dietro di sé una cavità che si adatti perfettamente ad esso. Creando queste cavità microscopiche e specifiche per forma in un rivestimento polimerico, gli scienziati possono costruire un sensore che afferra solo la molecola bersaglio e ignora tutto il resto.

In uno studio recente, un team di ricercatori della Henan Polytechnic University e della Jiangsu University of Science and Technology ha combinato questi concetti per creare un nuovo sensore per l'enrofloxacina. Hanno iniziato facendo crescere minuscole particelle sferiche di idrossido di doppio strato di cobalto-ferro, un materiale noto per la sua capacità di catalizzare le reazioni. Successivamente, hanno rivestito queste particelle con uno strato sottile di chitosano, un polimero naturale derivato dai crostacei, e lo hanno reticolato con glutaraldeide. Fondamentalmente, hanno aggiunto l'enrofloxacina alla miscela durante questo processo di rivestimento. Mentre il polimero si formava attorno alle particelle, le molecole di enrofloxacina hanno agito come un modello, creando tasche o cavità specifiche nella struttura che corrispondevano alla dimensione e alla forma del farmaco. Una volta che il rivestimento è diventato solido, i ricercatori hanno lavato via l'enrofloxacina, lasciando dietro di sé dei fori vuoti e perfettamente sagomati sulla superficie del nanozima.

Il meccanismo di rilevamento si basa su un blocco fisico. In assenza di enrofloxacina, le cavità vuote sul sensore agiscono come porte aperte, permettendo al perossido di idrogeno di fluire attraverso il rivestimento e raggiungere il nucleo di cobalto-ferro. Una volta lì, il nucleo innesca una reazione che trasforma una sostanza chimica trasparente chiamata TMB in un vivido blu. Tuttavia, quando l'enrofloxacina è presente nell'acqua, essa scivola nuovamente in quelle specifiche cavità, incastrandosi perfettamente come una chiave in una serratura. Questa azione blocca fisicamente la porta, impedendo al perossido di idrogeno di raggiungere il nucleo. Di conseguenza, il colore blu non si sviluppa, o si sviluppa in modo molto più tenue. Più enrofloxacina è presente nell'acqua, più le cavità vengono riempite, e meno appare il colore blu. Questo cambiamento nell'intensità del colore fornisce una misura visiva diretta di quanto farmaco sia presente nel campione.

I ricercatori hanno testato questo sensore con rigorosa precisione. Hanno scoperto che può rilevare l'enrofloxacina in concentrazioni fino a 0,03 micromoli, con una risposta lineare che va da 0,19 a 50 micromoli. Ciò significa che il sensore è abbastanza sensibile da individuare quantità molto piccole del farmaco, pur lavorando con precisione anche quando la concentrazione è più alta. Per garantire che il sensore non reagisse a qualsiasi sostima chimica, lo hanno testato contro altri antibiotici e molecole simili. Il sensore è rimasto del tutto inerte rispetto a questi simili, dimostrando che l'imprinting molecolare ha insegnato con successo al materiale a riconoscere solo l'enrofloxacina. Lo studio ha anche confermato che il sensore funziona bloccando fisicamente la via di reazione, piuttosto che distruggendo chimicamente il catalizzatore o cambiandone la natura.

Infine, il team ha portato il sensore dal laboratorio al mondo reale. Hanno raccolto campioni d'acqua dai sistemi fluviali del Yangtze e del Giallo, nonché da allevamenti di bestiame e ospedali. In ogni caso, il sensore ha misurato accuratamente la quantità di enrofloxacina, con tassi di recupero compresi tra il 98,6% e il 104%. Questo alto livello di accuratezza in campioni d'acqua complessi e sporchi suggerisce che il metodo sia abbastanza robusto per l'uso sul campo. Il sensore è anche riutilizzabile; l'enrofloxacina può essere lavata via dalle cavità, permettendo al materiale di essere utilizzato nuovamente senza perdere la sua capacità di rilevare il farmaco. Questo lavoro offre uno strumento promettente e conveniente per il monitoraggio della qualità dell'acqua, fornendo un modo per tenere sotto stretto controllo l'inquinamento da antibiotici senza la necessità di macchinari costosi o di una formazione altamente specializzata.