南京大学黄硕Nano Lett.：纳米孔实现多种维生素B的同时检测

维生素B复合物参与许多必要的生命过程，在调节新陈代谢、促进生长发育以及预防DNA损伤等方面发挥着重要作用 ¹。人体中的维生素B缺乏现象十分普遍，可导致脚气病、糙皮病和佝偻症等多种疾病。此外，越来越多的研究表明，维生素B可作为某些神经退行性疾病（如阿尔兹海默症、帕金森症）的潜在标志物 ^2,3。因此，对维生素B复合物的检测具有重要意义。然而，维生素B家族由一组结构差异较大的化合物组成，其中一些成员还会以多种结构相近的形式存在于自然界中 ⁴。维生素B复合物的结构复杂性，给其直接鉴定带来了挑战。

多种方法已被开发用于维生素B的检测。传统微生物法曾被认为是检测多种维生素B的“金标准”，但其检测准确度并不高 ⁵。广泛得到认可的液相色谱（LC）⁶ 和毛细管电泳技术（CE）⁷ 也需要复杂的条件优化、昂贵的仪器和专业的操作人员。而更具成本效益的荧光法 ⁸ 和电化学法 ⁹ 在同时检测多种维生素B上仍存在困难。鉴于此，迫切需要开发一种简单、低成本和具有高分辨率的方法，用于多种维生素B的同时检测。

此前，南京大学化学化工学院黄硕教授（点击查看介绍）课题组原创开发了镍离子-次氮基三乙酸（Ni-NTA）修饰的纳米孔（MspA-NTA-Ni），实现了对所有20种蛋白质氨基酸 ¹⁰ 和多种甲状腺激素 ¹¹ 的直接检测和区分，证明了MspA-NTA-Ni优异的分辨率。受上述工作鼓舞，并考虑到维生素B与金属离子之间的相互作用，他们基于MspA-NTA-Ni，首次实现了包括维生素B1（硫胺素）、维生素B3（烟酸、烟酰胺）、维生素B5（泛酸）和维生素B6（吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺）在内的共七种维生素B的纳米孔同时检测（图1）。此外，借助机器学习算法辅助，多种维生素B的鉴定准确率达到了99.9%。

图1. 基于MspA-NTA-Ni对多种维生素B的直接检测（图片来源于该作者）

维生素B可用于治疗多种疾病，其被广泛应用于制药行业。例如，烟酰胺可用于治疗糙皮病和皮肤癌，具有抗衰老和皮肤美白的功效，这也使得其被广泛应用于市售化妆品中。通过借助机器学习算法，作者对三种市售烟酰胺化妆品的有效成分烟酰胺进行了定性和定量分析，定量结果与厂家标示值接近（图2）。该方法可用于市售维生素B产品的质量控制，无需任何样品前处理步骤。

图2. 快速分析市售化妆品中的烟酰胺（图片来源于该作者）

大多数维生素B不能由人体自身合成，必须从外界摄取，天然食品中富含多种维生素B。在该项工作中，作者以牛奶和蛋黄为例，实现了对食品中多种维生素B的快速鉴定。食品中其它能与NTA-Ni适配器结合的分子汇报出了与维生素B显著不同的纳米孔信号，可以通过机器学习算法移除（图3）。这些结果展示了该方法在食品分析领域的广阔前景，进一步加快了纳米孔进入现实生活的步伐。

图3. 快速分析食品中的多种维生素B（图片来源于该作者）

该工作近日发表在Nano Letters。南京大学化学化工学院黄硕教授为该论文唯一通讯作者，南京大学硕士生欧阳羽升和博士生王可凡为该论文共同第一作者。

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Simultaneous Identification of Vitamins B1, B3, B5, and B6 by an Engineered Nanopore

Yusheng Ouyang^#, Kefan Wang^#, Wendong Jia, Panke Zhang, Shuo Huang*

Nano Lett. 2024, DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03329

参考文献：

(1) Christine Tara, P.; Rodionov, D. A.; Osterman, A. L.; Peterson, S. N. B Vitamins and Their Role in Immune Regulation and Cancer. Nutrients 2020, 12 (11), 3380.

(2) Mielech, A.; Puścion-Jakubik, A.; Markiewicz-Żukowska, R.; Socha, K. Vitamins in Alzheimer’s Disease—Review of the Latest Reports. Nutrients 2020, 12 (11), 3458.

(3) Kalecký, K.; Ashcraft, P.; Bottiglieri, T. One-Carbon Metabolism in Alzheimer’s Disease and Parkinson’s Disease Brain Tissue. Nutrients 2022, 14 (3), 599.

(4) Kennedy, D. O. B Vitamins and the Brain: Mechanisms, Dose and Efficacy—A Review. Nutrients 2016, 8 (2), 68.

(5) Zhang, Y.; Zhou, W.-e.; Yan, J.-q.; Liu, M.; Zhou, Y.; Shen, X.; Ma, Y.-l.; Feng, X.-s.; Yang, J.; Li, G.-h. A Review of the Extraction and Determination Methods of Thirteen Essential Vitamins to the Human Body: An Update from 2010. Molecules 2018, 23 (6), 1484.

(6) Sasaki, K.; Hatate, H.; Tanaka, R. Determination of 13 Vitamin B and the Related Compounds Using HPLC with UV Detection and Application to Food Supplements. Chromatographia 2020, 83 (7), 839-851.

(7) Wang, X.; Li, K.; Yao, L.; Wang, C.; Van Schepdael, A. Recent advances in vitamins analysis by capillary electrophoresis. J. Pharm. Biomed. Anal. 2018, 147, 278-287.

(8) Li, C.; Yang, Q.; Wang, X.; Arabi, M.; Peng, H.; Li, J.; Xiong, H.; Chen, L. Facile approach to the synthesis of molecularly imprinted ratiometric fluorescence nanosensor for the visual detection of folic acid. Food Chem. 2020, 319, 126575.

(9) Gheorghe, D.-C.; Stefan-van Staden, R.-I.; van Staden, J. F. Mini-Review: Electrochemical Sensors Used for the Determination of Water- and Fat-Soluble Vitamins: B, D, K. Crit. Rev. Anal. Chem. 2022, 54 (4), 1-10.

(10) Wang, K.; Zhang, S.; Zhou, X.; Yang, X.; Li, X.; Wang, Y.; Fan, P.; Xiao, Y.; Sun, W.; Zhang, P.; Li, W.; Huang, S. Unambiguous discrimination of all 20 proteinogenic amino acids and their modifications by nanopore. Nat. Methods 2024, 21 (1), 92-101.

(11) Wang, K.; Yang, X.; Xiao, Y.; Cao, Z.; Zhang, S.; Zhang, P.; Huang, S. Simultaneous Identification of Major Thyroid Hormones by a Nickel Immobilized Biological Nanopore. Nano Lett. 2024, 24 (1), 305-311.

导师介绍

黄硕

https://www.x-mol.com/university/faculty/56491 

课题组网站

http://hysz.nju.edu.cn/bionano