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

Water is de levensader van onze planeet, maar het is ook een plek waar de chemicaliën die we dagelijks gebruiken zich kunnen ophopen. Een dergelijke chemische stof is enrofloxacine, een krachtig antibioticum dat wordt gebruikt voor de behandeling van infecties bij vee en aquacultuur. Hoewel het dieren gezond helpt te houden, belandt het medicijn vaak in rivieren en meren via mest en afvalwater. Omdat het zeer langzaam afbreekt, kan het zich ophopen in het milieu, wat potentieel schadelijk is voor ecosystemen en de voedselketen kan binnendringen. Het detecteren van deze sporen is cruciaal voor het beschermen van de waterkwaliteit, maar de huidige methoden zijn vaak traag, duur en vereisen complexe laboratoriumapparatuur. Wetenschappers zoeken al lang naar een eenvoudigere manier om deze verontreinigingen snel op te sporen, bij voorkeur met een methode die van kleur verandert om aan te geven wat aanwezig is, vergelijkbaar met een lakmoestest, maar met het vermogen om één specifieke chemische stof te onderscheiden van duizenden anderen.

Om dit op te lossen, hebben onderzoekers zich gericht op een slimme combinatie van twee wetenschappelijke ideeën: nanozymen en moleculaire impressie. Een nanozym is een minuscuul, door de mens gemaakt deeltje dat werkt als een natuurlijk enzym, waardoor chemische reacties worden versneld. In dit geval gebruikten de wetenschappers een materiaal gemaakt van kobalt en ijzer dat zich gedraagt als een natuurlijke katalysator, waardoor een heldere vloeistof blauw wordt wanneer deze wordt gemengd met waterstofperoxide. Deze nanozymen zijn echter meestal te enthousiast in hun reactie; ze kunnen het verschil niet zien tussen de doelwitverontreiniging en andere, vergelijkbare chemicaliën. Hier komt moleculaire impressie om de hoek kijken. Stel je voor dat je een mal maakt van een specifelijk object, het object vervolgens verwijdert en een holte achterlaat die perfect bij dat object past. Door deze microscopisch kleine, vormspecifieke gaatjes in een polymeercoating te creëren, kunnen wetenschappers een sensor bouwen die alleen het doelwitmolecuul grijpt en de rest negeert.

In een recente studie combineerde een team onderzoekers van de Henan Polytechnic University en de Jiangsu University of Science and Technology deze concepten om een nieuwe sensor voor enrofloxacine te creëren. Ze begonnen met het kweken van minuscule, bolvormige deeltjes van kobalt-ijzer gelaagde dubbelhydroxide, een materiaal dat bekend staat om zijn vermogen om reacties te katalyseren. Vervolgens bedekten ze deze deeltjes met een dunne laag chitosan, een natuurlijk polymeer afkomstig van schaaldieren, en dwarsverbonden dit met glutaaraldehyde. Cruciaal was dat ze enrofloxacine aan het mengsel toevoegden tijdens dit coatingproces. Terwijl het polymeer rond de deeltjes vormde, fungeerden de enrofloxacine-moleculen als een sjabloon, waardoor specifieke zakjes of holtes ontstonden in de coating die overeenkwamen met de grootte en vorm van het medicijn. Zodra de coating solide was, wasden de onderzoekers de enrofloxacine weg, waardoor er lege, perfect gevormde gaatjes op het oppervlak van de nanozym achterbleven.

Het mechanisme van detectie berust op een fysieke blokkade. In de afwezigheid van enrofloxacine fungeren de lege holtes op de sensor als open deuren, waardoor waterstofperoxide door de coating kan stromen en de actieve kobalt-ijzerkern kan bereiken. Daar brengt de kern een reactie teweeg die een heldere stof genaamd TMB verandert in een levendig blauw. Echter, wanneer enrofloxacine aanwezig is in het water, glijdt het terug in die specifieke holtes, waarbij het nauw aansluit zoals een sleutel in een slot. Deze actie blokkeert fysiek de deur, waardoor waterstofperoxide de kern niet kan bereiken. Als gevolg hiervan ontwikkelt de blauwe kleur zich niet, of ontwikkelt deze zich veel minder intens. Hoe meer enrofloxacine er in het water zit, hoe meer holtes gevuld raken, en hoe minder blauwe kleur er verschijnt. Deze verandering in kleurintensiteit biedt een directe, visuele maatstaf voor hoeveel medicijn er in het monster aanwezig is.

De onderzoekers testten deze sensor met strikte precisie. Ze ontdekten dat de sensor enrofloxacine kan detecteren in concentraties zo laag als 0,03 micromol, met een lineair bereik variërend van 0,19 tot 50 micromol. Dit betekent dat de sensor gevoelig genoeg is om zeer kleine hoeveelheden van het medicijn op te sporen, terwijl hij nog steeds nauwkeurig werkt wanneer de concentratie hoger is. Om te garanderen dat de sensor niet simpelweg op elke chemische stof reageert, hebben ze de sensor getest tegen andere antibiotica en soortgelijke moleculen. De sensor bleef ongevoelig voor deze look-alikes, wat bewees dat de moleculaire impressie het materiaal succesvol heeft geleerd om alleen enrofloxacine te herkennen. De studie bevestigde ook dat de sensor werkt door de reactiebaan fysiek te blokkeren, in plaats van door de katalysator chemisch te vernietigen of de aard ervan te veranderen.

Ten slotte brachten het team de sensor vanuit het laboratorium naar de echte wereld. Ze verzamelden watermonsters uit de Yangtze- en Gele Riviersystemen, evenals van veehouderijen en ziekenhuizen. In elk geval mat de sensor de hoeveelheid enrofloxacine met terugwinningspercentages tussen de 98,6% en 104%. Dit hoge niveau van nauwkeurigheid in complexe, vervuilde watermonsters suggereert dat de methode robuust genoeg is voor gebruik in het veld. De sensor is ook herbruikbaar; de enrofloxacine kan uit de holtes worden gewassen, waardoor het materiaal opnieuw kan worden gebruikt zonder zijn vermogen om het medicijn te detecteren te verliezen. Dit werk biedt een veelbelovende, kosteneffectieve tool voor het monitoren van de waterkwaliteit, en biedt een manier om nauwlettend toezicht te houden op antibioticapollutie zonder de noodzaak van dure machines of hooggespecialiseerde training.