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

水は私たちの惑星の生命線ですが、同時に、私たちが日常的に使用する化学物質が蓄積する場所でもあります。その一つが、家畜や水産養殖の感染症治療に使用される強力な抗生物質、エンロフロキサシンです。これは動物の健康維持に役立つ一方で、糞尿や排水を通じて河川や湖沼に流れ出ることがよくあります。この薬剤は分解が非常に遅いため、環境中に蓄積し、生態系を害したり食物連鎖に入り込んだりする可能性があります。これらの痕跡を検出することは水質の保護において極めて重要ですが、現在の手法は多くの場合、時間がかかり、コストが高く、複雑な実験室用機器を必要とします。科学者たちは、より簡単に、対象となる化学物質を特定できる方法、つまり、リトマス試験のように存在を示すために色が変わるような、しかし数千もの他の化学物質の中から特定の物質を識別できる方法を長らく求めてきました。

この課題を解決するために、研究者たちは「ナノザイム」と「分子インプリンティング」という2つの科学的概念を巧みに組み合わせました。ナノザイムとは、天然の酵素のように化学反応を促進する、人工的な微小粒子です。この場合、科学者たちは、過酸化水素と混合すると透明な液体を青色に変える触媒として機能する、コバルトと鉄からなる材料を使用しました。しかし、これらのナノザイムは通常、反応に対して非常に積極的すぎるため、標的となる汚染物質と、それによく似た他の化学物質との区別がつきません。ここで分子インプリンティングが登場します。特定の物体を型取りし、その物体を取り除くことで、その物体に完璧にフィットする空洞を残す様子を想像してみてください。ポリマーコーティングの中に、このような微視的な形状特異的な穴を作ることで、科学者は標的となる分子だけを捕らえ、他のあらゆるものを無視するセンサーを構築できるのです。

最近の研究において、河南理工大学と江蘇理工大学の研究チームは、これらの概念を組み合わせて、エンロフロキサシンのための新しいセンサーを作成しました。彼らはまず、反応を触媒する能力で知られるコバルト鉄層状複水酸化物の微細な球状粒子を成長させました。次に、これらの粒子を、甲殻類由来の天然ポリマーであるキトサンでコーティングし、グルタルアルデヒドで架橋しました。決定的なことに、コーティングの過程でエンロフロキサシンを混合物に加えています。粒子が周囲にポリマーを形成する際、エンロフロキサシン分子がテンプレートとして機能し、その薬物のサイズと形状に一致する特定のポケットや空洞をコーティング内に作り出しました。コーティングが固まった後、研究者たちはエンロキサキシンを洗い流し、ナノザイムの表面に、完璧な形状をした空の穴を残しました。

検出のメカニズムは、物理的な遮断に基づいています。エンロフロキサシンが存在しない場合、センサー上の空の空洞は開いたドアウェイとして機能し、過酸化水素がコーティングを通って活性なコバルト鉄のコアに到達することを可能にします。そこに到達すると、コアが反応を引き起こし、TMBと呼ばれる透明な化学物質を鮮やかな青色に変えます。しかし、水中にエンロフロキサキシンが存在する場合、それは鍵と鍵穴のようにぴったりと収まり、特定の空洞へと滑り込みます。この動作がドアウェイを物理的に塞ぎ、過酸化水素がコアに到達するのを防ぎます。その結果、青色の変化は起こらないか、あるいは非常にわずかなものになります。水中のエンロフロキサキシンが多いほど、より多くの空洞が埋まり、青色の強度が弱まります。この色の変化の強さが、サンプル中に含まれる薬物の量を直接的かつ視覚的に測定する指標となります。

研究者たちは、厳格な精度でこのセンサーをテストしました。その結果、このセンサーは0.03マイクロモールの低濃度から検出可能であり、0.19から50マイクロモールの範囲で線形な応答を示すことがわかりました。これは、センサーが非常に微量の薬物を検知できるほど敏感でありながら、濃度が高い場合でも正確に機能することを意味します。また、センサーが単に他の化学物質に反応しているのではないことを確認するため、他の抗生物質や類似の分子を用いたテストも行いました。センサーはこれらの類似物質に対して無反応であり、分子インプリンティングによって、材料がエンロフロキサシンのみを認識するように学習されたことが証明されました。また、この研究は、センサーが触媒を化学的に破壊したりその性質を変えたりするのではなく、反応経路を物理的にブロックすることによって機能していることも確認しました。

最後に、チームはラボから実世界へとセンサーを持ち出しました。彼らは長江および黄河流域のシステム、ならびに家畜農場や病院から水サンプルを収集しました。あらゆるケースにおいて、センサーはエンロフロキサキシンの量を正確に測定し、回収率は98.6%から104%の間でした。複雑で汚れた水サンプルにおけるこの高い精度は、この手法がフィールドでの使用に適した堅牢性を備えていることを示唆しています。また、このセンサーは再利用可能です。空洞からエンロフロキサキシンを洗い流すことで、物質は検出能力を失うことなく再び使用することができます。この研究は、高価な機械や高度な専門訓練を必要とせずに、水質汚染を注意深く監視するための、有望で費用対効果の高いツールを提供しています。