Czy nowatorskie podejście zmienia monitorowanie zagrożeń?
Naukowcy opracowali nowatorski system detekcji zanieczyszczeń antybiotykowych i metali ciężkich, co może mieć istotne znaczenie dla monitorowania zagrożeń środowiskowych wpływających na zdrowie publiczne. Badacze skupili się na jednoczesnym wykrywaniu moksyfloksacyny (MOX), cyprofloksacyny (CIP) – popularnych antybiotyków szerokiego spektrum z grupy chinolonów – oraz jonów chromu trójwartościowego (Cr(III)), które stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia i środowiska naturalnego.
Antybiotyki MOX i CIP są powszechnie stosowane w leczeniu ciężkich i umiarkowanych pozaszpitalnych zapaleń płuc, infekcji skóry i tkanek miękkich, ostrego bakteryjnego zapalenia zatok oraz ostrych bakteryjnych przewlekłych zapaleń oskrzeli. Co istotne, wykorzystuje się je również w terapii chorób wywołanych przez bakterie oporne na inne antybiotyki, w tym aminoglikozydy i β-laktamy. W rezultacie duże ilości pozostałości tych leków przedostają się do środowiska i żywności, a następnie kumulują w organizmie człowieka poprzez cykl biologiczny. Niekontrolowane stosowanie MOX i CIP może wywoływać choroby, a ponieważ są one wydalane w niezmienionej formie z moczem, prowadzi to do znaczących negatywnych skutków dla zdrowia ludzkiego i środowiska.
Aby ograniczyć niewłaściwe stosowanie antybiotyków, różne organizacje i kraje ustanowiły maksymalne limity pozostałości (MRL) dla produktów spożywczych. Na przykład Indie ustaliły maksymalny limit pozostałości MOX w próbkach żywności na poziomie 1,0 µg/kg. Unia Europejska określiła natomiast maksymalny limit pozostałości dla niektórych fluorochinolonów, w tym CIP, w jadalnych produktach pochodzenia zwierzęcego na poziomie 30 µg·kg−1 dla różnych tkanek zwierzęcych.
- Jednoczesne wykrywanie trzech substancji: MOX, CIP i Cr(III)
- Szybkość analizy – wynik w ciągu 1 minuty
- Wysoka dokładność – wskaźniki odzysku powyżej 96%
- Niski koszt w porównaniu do tradycyjnych metod
- Możliwość zastosowania w warunkach terenowych
- Nie wymaga skomplikowanej aparatury
Jak działa sensor oparty na nanocząstkach złota?
Jon chromu trójwartościowego (Cr(III)), jeden z najpowszechniejszych jonów metali ciężkich w ściekach przemysłowych, może kumulować się w organizmie człowieka poprzez łańcuch pokarmowy. Choć Cr(III) jest istotnym mikroelementem wspomagającym metabolizm węglowodanów, tkanek tłuszczowych i białek, nadmierne spożycie może prowadzić do wiązania z DNA w komórkach ludzkich, zmieniając ich strukturę komórkową i zwiększając ryzyko uszkodzeń DNA oraz raka.
Dotychczasowe metody wykrywania tych substancji, takie jak wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC), chromatografia cieczowa sprzężona ze spektrometrią mas (LC-MS), chromatografia gazowa sprzężona ze spektrometrią mas (GC-MS), spektrometria mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-MS), metody elektrochemiczne, spektrometria absorpcji atomowej (AAS) czy detekcja fluorescencyjna są kosztowne, czasochłonne i wymagają skomplikowanych procedur analitycznych, co ogranicza ich zastosowanie w terenie. Dlatego opracowanie prostego, szybkiego i taniego systemu jednoczesnej detekcji o zwiększonej wydajności jest niezwykle ważne.
Zespół badawczy zaproponował innowacyjne rozwiązanie – platformę składającą się z nanocząstek złota funkcjonalizowanych tioglikolanem amonu (ATG-AuNPs), które działają jako chemosensor kolorimetryczny. Wśród technik detekcji czujniki kolorimetryczne zyskały znaczną uwagę, ponieważ umożliwiają proste, szybkie pomiary w czasie rzeczywistym bez skomplikowanej aparatury. Nanocząstki złota (AuNPs) są często wykorzystywane jako reportery kolorimetryczne ze względu na ich właściwości optyczne zależne od odległości. Widma ekstynkcji AuNPs oraz długość fali absorbowanego i rozproszonego światła zależą od odległości międzycząsteczkowej.
Mechanizm działania opiera się na agregacji ATG-AuNPs po związaniu z MOX, CIP i Cr(III), co powoduje zmianę koloru nanocząstek z czerwonego wina na niebiesko-szary. Badania za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) wykazały, że AuNPs i ATG-AuNPs miały niemal sferyczny kształt, jednorodny rozmiar cząstek i doskonałą dyspersję, ze średnią średnicą AuNPs około 13 nm. Po dodaniu MOX/CIP i Cr(III) do dyspersji nanoczujników ATG-AuNPs, utworzona sztywna struktura była niewystarczająca do stabilizacji roztworu AuNPs, co prowadziło do agregacji nanocząstek.
Jakie są parametry detekcji i selektywność czujnika?
W badaniu zoptymalizowano kluczowe czynniki, w tym stężenie modyfikatora ATG (80 μM) oraz czas reakcji (1 minuta), aby osiągnąć maksymalną czułość sensora. Czas reakcji jest krytycznym parametrem dla chemosensorów kolorimetrycznych. Zmianę koloru zaobserwowano natychmiast po dodaniu MOX do roztworu ATG-AuNPs. Stosunek absorbancji w funkcji stężenia MOX (200 µM) wykazał rosnącą czułość wraz z czasem inkubacji od 0 do 1 minuty, jednak pozostawał niezmienny przez dłuższy czas. Oznacza to, że 1 minuta była wystarczająca dla reakcji MOX i ATG. Podobne wyniki uzyskano dla CIP i Cr(III).
Wyniki badań potwierdziły wysoką specyficzność ATG-AuNPs wobec MOX/CIP i Cr(III) w porównaniu do innych antybiotyków i jonów metali. Badania selektywności przeprowadzono z wykorzystaniem różnych antybiotyków (tetracyklina, pefloksacyna, lomefloksacyna, ampicylina, amoksycylina, oksytetracyklina, doksycyklina, kwas giberelinowy, azytromycyna, roksytromycyna, chloramfenikol) oraz jonów metali (Al(III), Mn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ni(II), Fe(II), Ag(I), Fe(III), Zn(II), Ca(II), Ba(II), Mg(II)). Tylko MOX, CIP i Cr(III) powodowały wyraźne przesunięcie w czerwień i zmiany koloru w porównaniu z próbką kontrolną ATG-AuNPs, co świadczy o wysokiej selektywności czujnika.
Sensor wykazał imponującą czułość z granicami wykrywalności na poziomie 1,57 μM dla MOX, 1,30 μM dla CIP i 57,1 nM dla Cr(III). Wraz ze wzrostem stężenia MOX od 0 µM do 200 µM, kolor ATG-AuNPs stopniowo zmieniał się z czerwonego wina na niebiesko-szary. Widma UV-Vis ATG-AuNPs pokazały, że charakterystyczne piki absorbancji przy 520 nm stopniowo malały wraz ze wzrostem stężenia MOX, podczas gdy przesunięte w czerwień pasmo absorpcji przy 600 nm stopniowo rosło. Podobne zależności zaobserwowano dla CIP i Cr(III).
Co więcej, badania z rzeczywistymi próbkami wody wodociągowej i jeziornej wykazały wysokie wskaźniki odzysku w zakresie 96,42-98,77% dla MOX, 96,85-99,71% dla CIP i 97,00-99,54% dla Cr(III), co potwierdza skuteczność sensora w złożonych próbkach środowiskowych. Testy powtarzalności wewnątrzdziennej (n = 10) wykazały wartości RSD dla MOX, CIP i Cr(III) poniżej odpowiednio 1,4%, 1,4% i 4,1%, co wskazuje na doskonałą dokładność i precyzję opracowanej metody.
Jakie korzyści kliniczne niesie ta metoda?
Znaczenie tej metody dla praktyki klinicznej jest wielorakie. Po pierwsze, umożliwia szybką i tanią ocenę zanieczyszczenia środowiska substancjami potencjalnie szkodliwymi dla zdrowia. Po drugie, może służyć jako narzędzie screeningowe przy ocenie ryzyka ekspozycji pacjentów na pozostałości antybiotyków i metali ciężkich. Po trzecie, w kontekście narastającego problemu antybiotkooporności, monitorowanie pozostałości antybiotyków w środowisku może dostarczyć cennych danych epidemiologicznych dotyczących presji selekcyjnej na populacje bakterii.
Opracowana metoda detekcji wyróżnia się prostotą, szybkością (wynik w ciągu 1 minuty) i możliwością jednoczesnego wykrywania kilku analitów w pojedynczym teście, co znacząco zwiększa efektywność analityczną i redukuje koszty badań. Może to być szczególnie istotne w kontekście monitorowania jakości wody pitnej oraz oceny ryzyka środowiskowego w obszarach o intensywnej działalności przemysłowej lub rolniczej, gdzie stosowanie antybiotyków i emisja metali ciężkich mogą stanowić poważny problem zdrowia publicznego.
Podsumowanie
Opracowano innowacyjny system detekcji zanieczyszczeń, wykorzystujący nanocząstki złota funkcjonalizowane tioglikolanem amonu (ATG-AuNPs), który umożliwia jednoczesne wykrywanie antybiotyków moksyfloksacyny (MOX), cyprofloksacyny (CIP) oraz jonów chromu trójwartościowego (Cr(III)). Metoda wykazuje wysoką selektywność i czułość, z granicami wykrywalności na poziomie 1,57 μM dla MOX, 1,30 μM dla CIP i 57,1 nM dla Cr(III). System charakteryzuje się prostotą obsługi, szybkością (wynik w ciągu 1 minuty) oraz wysoką skutecznością w rzeczywistych próbkach środowiskowych, osiągając wskaźniki odzysku powyżej 96%. Metoda stanowi znaczący postęp w monitorowaniu zagrożeń środowiskowych i może mieć istotne zastosowanie w ocenie ryzyka ekspozycji na pozostałości antybiotyków i metali ciężkich w kontekście zdrowia publicznego.
