CN102023147B - 一种适配体功能化磁性纳米材料磁分离-上转换荧光纳米材料标记检测赭曲霉毒素a的方法 - Google Patents

Abstract

一种适配体功能化磁性纳米材料磁分离上转换荧光纳米材料标记检测检测赭曲霉毒素A的方法，用于小麦、谷物，饲料及其制品等中赭曲霉毒素A含量的检测。本发明充分利用赭曲霉毒素特异核酸适配体功能化磁性纳米材料磁分离样品富集效应，让大宗样本能很快浓缩有效提高样本浓度(上千倍)，可以大大缩短检测周期并提高检测灵敏度；同时结合上转换荧光纳米材料激光诱导荧光的高灵敏度和有效避免样本生物背景荧光干扰的特点，构建一种从样品处理到分析检测都非常快速的赭曲霉毒素A新型分析方法。

Description

一种适配体功能化磁性纳米材料磁分离-上转换荧光纳米材料标记检测赭曲霉毒素A的方法

技术领域

本发明涉及利用磁性纳米材料和上转换荧光纳米材料结合核酸适配体识别对赭曲霉毒素A进行检测，特点在于利用赭曲霉毒素A适配体功能化的磁性纳米材料对大宗样品中赭曲霉毒素A分离富集，使得检测周期缩短并使得检测灵敏度提高，同时利用上转换荧光纳米材料作为标记物通过检测激光诱导上转换荧光信号进一步提高检测的灵敏度，该方法属于纳米材料与分子生物技术领域。

背景技术

赭曲霉毒素A(ochratoxinA，OTA)是曲霉菌属和青霉菌属的某些种产生的空间代谢产物，毒理学研究表明，OTA具有肾脏毒性、肝脏毒性、免疫毒性，以及致畸、致癌和致突变作用等多种毒性，对动物和人体健康有很大的潜在危害。OTA在自然界分布广泛，主要存在于谷类、豆类及豆制品、干果、咖啡、葡萄及葡萄酒、香科、汕料作物、啤酒、茶叶等中。因此，建立准确、灵敏、快速的OTA检测技术对于食品安全具行重要意义。

目前已建立的OTA检测方法主要包括薄层层析法、高压液相色谱—质谱联用、酶联免疫吸附法(ELISA)、胶体金免疫层析分析法(GICA)等。现场快速筛检方法中则以ELISA和GICA方法应用最多，这两种方法均是基于抗原—抗体亲和反应，以抗体作为识别分子。但抗体易受外界条件尤其是温度的影响，对保藏条件要求苛刻，在很大程度上限制了方法的灵活应用。此外，抗体制备需要经过动物实验或细胞实验，繁琐费时，制备的抗体成本高，发展的方法检测成本也相应偏高。所以有必要发展一种快速方便，稳定性好、灵敏度高、特异性强、使用成本低的新型检测方法。

核酸适配体(aptamer)是从体外合成的随机寡核苷酸文库中通过指数富集配体的系统进化(systematiccvolution of ligands by exponential enrichment，SELEX)技术筛选得到的与靶物质特异性结合的一簇DNA或RNA片段。这种寡核苷酸序列形成的高级结构具有能识别与之相对应的任何类型的蛋白和低分子的靶物质，并与靶物质有高亲和力而形成靶物质—适配子的复合物。与抗体相比，核酸适配体具有易合成、易修饰、易固定、可反复使用和长期保存的优点，并且核酸适配体作为识别分子在蛋白质研究、药物检测、医学诊断和食品安全等方面得到了广泛应用。

另一方面，近年来纳米材料与分子生物技术两者之间的关系越米越紧密，新型纳米材料在分析检测中的发展前景也越来越广阔。其中上传换纳米荧光纳米材料和磁性纳米材料具备独特的功能被所人们关注。

在稀土掺杂的无机纳米材料中一类特殊的发光材料，它能够通过多光子机制把长波辐射(近红外光)转换成短波辐射，发射出比激发光波长短的荧光(紫外可见光)，即上转换荧光。它是一种反Stokes发光，已成为把红外光转换成可见光的有效方法。上转换材料具有如下诸多优点：光化学稳定，检测背景低，穿透性强，且可以通过选择不同的基质材料和掺杂离子来调节上转换发光，不同稀土离子掺杂的纳米粒子发射不同的上转换荧光，真正实现单激发多发射，从而有利于生物体系中多组分同时检测。鉴于上述优点，上转换纳米材料已成为一种优秀的生物标记材料。同时在实际生物样品的检测中，由于被测样品很少，标记与检测中的分离步骤复杂，如何有效地进行标记与未标记样品的分离以及对痕量样品的富集，将直接影响检测的灵敏度和准确性。由于磁性纳米颗粒性能稳定，较易制备，且与多种分子复合可使粒子表面功能化。利用磁性纳米材料和上转换纳米擦了可快速有效地将目标物质分离与富集，具有特异性高、分离快、重现性好等优点，可有效提高分析检测的灵敏度和准确性。

本发明首先合成得到了表面生物功能化的磁性纳米材料和上转换纳米材料，再通过磁性纳米材料结合的核酸适配体和上转换纳米材料结合的核酸适配体互补链之间的DNA杂交将两者组装构成复合纳米结构，以980nm激光激发诱导上转换荧光为检测信号，通过对不同浓度赭曲霉毒素A标准品的检测，建立标准曲线，达到对含赭曲霉毒素A样品进行定量检测的目的。该发明可以用于小麦、谷物，饲料及其制品等样品中赭曲霉毒素A含量的检测。

发明内容

一种适配体功能化磁性纳米材料磁分离—上转换荧光纳米材料标记检测赭曲霉毒素A的方法：分别制备得到NaYF₄:Yb，Er上转换荧光纳米材料和氨基化的Fe₃O₄磁性纳米球，对纳米粒子进行表面功能化修饰并与亲和素(Avidin)偶联，随后氨基化的Fe₃O₄磁性纳米球通过亲和素(Avidin)与生物素(Biotin)之间的作用与生物素(Biotin)修饰的适配体DNA特异性结合，用作磁分离试剂，而同样原理NaYF₄:Yb，Er上转换荧光纳米材料与适配体互补核酸单链结合，构成标记探针。将两者经过一段时间的孵育，通过DNA互补杂交使得两者组装成复合纳米材料。利用外界磁场对纳米材料进行分离并且利用980nm激光激发，记录此时发光信号为最大值，当加入目标分析物赭曲霉毒素A时，适配体DNA的空间构象发生变化，与赭曲霉毒素A发生特异性结合，使得适配体DNA与互补单链DNA解链，从而导致上转换荧光纳米材料与磁性纳米球分离，此时再富集后检测，得到发光信号减小。在一定范围内赭曲霉毒素A的含量与发光信号减小的数值相关，基于此对赭曲霉毒素A标准品进行检测，建立标准曲线，以达到对实际样品中赭曲霉毒素A进行定量检测的目的；步骤为：

(1)通过水热一溶剂热技术，制备NaYF₄:Yb，Er上转换纳米颗粒，并对其做表面修饰。称取0.18g Y₂O₃(28％)，0.788g Yb₂O₃(70％)和0.022g Er₂O₃(2％)混合物加入硝酸中加热溶解并挥发掉多余硝酸，得到稀土元素的硝酸盐粉末，将其溶解在8mL去离子水中，再加入二水合乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA)1.0635g并调节pH至弱碱性，形成澄清透明的EDTA-Ln溶液。取25mL乙二醇，加入3mL HF和0.4g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，搅拌下加入8mL上述EDTA-Ln溶液，得到白色乳状胶体。最后再加入5.5mL浓硝酸，搅拌均匀后，转移到50mL带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，195℃反应24h。反应结束后，让其在空气中自然冷却至室温，弃上层液体，釜底的固体用热水冲洗到烧杯中，超声10分钟，然后静置数分钟，待固体沉淀至底部后，将上层液体倒掉，再加热水超声，重复3次。然后加乙醇超声分散，最后离心所得固体置于70℃烘箱干燥10h，固体粉末储存备用。

(2)利用改进的

法对上转换纳米粒子进行表面氨基化修饰。将处理后的上转换荧光纳米材料20mg加入盛有60mL异丙醇的250mL锥形瓶中，超声40min达到完全分散。在快速磁力搅拌下依次加入约20mL的蒸馏水、2.5mL的25％的氨水，封口。在35℃下，磁力搅拌10min后加入逐滴加入20mL异丙醇和50μL正硅酸乙酯的混合溶液。反应3h后，再逐滴加入30mL异丙醇和200μL的3-氨丙基三乙氧基硅烷的混合溶液，继续反应1h后停止搅拌室温下陈化2h。最后将产物离心分离，水洗多次，60℃烘干12h，得到表面有氨基修饰的上转换荧光纳米材料。

(3)采用一步法制备表面氨基化的磁性纳米颗粒。向30mL乙二醇中，加入6.5g l，6-己二胺、2.0g无水醋酸钠(CH₃COONa)和1.0g六水合三氯化铁(FeCl₃6H₂O)。然后在加热(50℃)条件下搅拌，形成较均匀的胶体溶液。将所得溶液转移到50mL带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在198℃件下反应6h。取出反应釜后，在室温下自然冷却，弃釜内上层液体，下层黑色固体用去离子水冲洗至烧杯中，然后利用磁分离收集。超声条件下，再用水分散，然后磁分离收集，按上面方法再用乙醇洗涤2次，所得黑色固体在50℃条件下干燥5-10h。

(4)利用戊二醛法将氨基化的纳米材料与亲和素(Avidin)偶联。称取10mg纳米材料溶解在5mL10mM PBS中超声分散15min，加入1.25mL 25％的戊二醛溶液。将混合溶液在室温下缓慢摇晃2h，反应结束后上转换纳米材料通过离心分离，磁性纳米材料经过磁分离，得到的固体粉末用10mMPBS洗三次。将粉末再用10mM PBS溶解，超声分散开，加入1.0mg/ml亲和素(Avidin)。此溶液在室温下缓慢摇晃12h，反应结束后清洗多次，弃上清。所得沉淀物在37℃条件下干燥12h。

(5)利用通过亲和素(Avidin)与生物素(Biotin)之间的特异性结合将表面修饰有亲和素(Avidin)的磁性纳米球与生物素(Biotin)修饰的赭曲霉毒素A适配体DNA单链连接，同理将表面修饰有亲和素(Avidin)的上材料与转换纳米生物素(Biotin)修饰互补DNA单链连接。具体方法为：取2mg纳米材料溶孵于1mL10mM PBS中超声分散5min，随后加入50nM适配体DNA单链(对于上转换材料加入互补的DNA单链)。37℃孵育过夜，分别用磁分离和离心分离，弃上清，并且用PBS缓冲液清洗多次以保证去除未与纳米材料连接的DNA单链，最后将沉淀重悬于1mL PBS缓冲液中，4℃保存。

(6)通过赭曲霉毒素A适配体DNA与其互补DNA单链的杂交，将磁性纳米球与上转换纳米材料连接起来构成一个纳米材料复合物。具体方法为：取400μL上转换材料标记的互补DNA单链溶液与100μL适配体功能化磁性纳米球混合，在杂交缓冲液(0.1M NaCl、10mM PBS)体系中37℃反应1h。反应结束后磁分离弃上清，反复清洗以保证游离的纳米材料完全除去。

(7)对赭曲霉毒素A标准品进行检测，建立标准曲线：将组装好的纳米材料复合物溶解在pH 7.0的解离缓冲液中(10mM HEPES，120mM NaCl，5mM KCl，20mM MgCl₂，20mM CaCl₂)，配制不同浓度的赭曲霉毒素A标准品加入解离体系中，孵育30-40min后再经过磁分离弃上清，清洗三遍以保证解离脱落的上转换纳米材料不在磁性纳米球表面附着，从而保证检测的灵敏度和准确性。在980nm激光激发下得到660nm处的上转换荧光信号，空白组检测得到的荧光信号(I₀)最大，随着赭曲霉毒素A浓度的增加荧光信号(I)逐步减小。根据荧光差值(ΔI＝I₀-I)与对应的赭曲霉毒素A标准品浓度建立标准曲线。实验结果分别在1×10^-13-1×10^-11g/mL；1×10^-11-1×10^-10g/mL；1×10^-10-1×10^-9g/mL三段区间内得到良好线性关系。

(8)对赭曲霉毒素A样品进行检测：对样品做简单的处理，随后直接加入到上述解离体系中孵育30-40min后再经过磁分离弃上清，清洗三遍。根据在980nm激光激发下得到660nm处的上转换荧光信号，从标准曲线中求得对应的赭曲霉毒素A的浓度。

有益效果：

(1)本发明利用适配体对被检物质实现特异性识别捕获，有效提高了检测的稳定性和准确性。

(2)本发明利用980nm激光诱导上转换荧光为检测信号，无背景光及自发荧光干扰，大大提高了检测灵敏度。

(3)本发明利用磁性纳米球对目标样品进行分离富集浓缩，可以有效的提高检测灵敏度、缩短检测周期，而且操作简单。

附图说明

图1：基于适配体功能化磁性纳米材料磁分离—上转换荧光纳米材料标记检测赭曲霉毒素A的实验原理图。

图2：NaYF₄:Yb，Er上转换荧光纳米材料电镜图(a)；NaYF₄:Yb，ErSiO₂上转换荧光纳米材料电镜图(b)。

图3：氨基化磁性纳米材料电镜图。

图4：赭曲霉毒素A检测标准曲线图，浓度范围在1×10^-13-1×10^-11g/mL内(a)；浓度范围在1×10^-11-1×10^-10g/mL内(b)；浓度范围在1×10^-10-1×10^-9g/mL内(c)。

图5：本发明和ELISA方法检测同样的实际样品得到的相关性曲线。

具体实施方式

实施例1：玉米实际样品中赭曲霉毒素A检测标准曲线的建立及检测

样品预处理：小麦高速粉碎过筛，称取20g于100mL烧瓶中，加入5g NaCl，80％乙醇水溶液，充分混匀后置于均质器中高速搅拌提取2min，静止片刻，过滤，取10mL滤液置于50mL烧瓶中，再次在均质器中高速搅拌提取2min，静止后用超细玻璃纤维过滤纸过滤，直至滤液澄清，收集滤液备用。

从本地六家农贸市场购买16种不同类别的小麦，利用本发明方法和国标方法分别测定其中赭曲霉毒素A的含量，结果见表一，将得到的数据进行相关性比较，结果P＜0.0001，两者

显著差异。说明该发明方法快速可靠，灵敏度高，稳定性好，适合用于玉米实际样品中赭曲霉毒素A的检测。

表一：小麦实际样品检测，本发明方法与Elisa方法对比

注：ND为未检出。

实施例2：玉米实际样品中赭曲霉毒素A的检测及加标回收率实验样品预处理同实施例1。

从实施例1得到的16组赭曲霉毒素A浓度数据中选择三组作为本底值，接着选取0.5×10^-12g/mL、1.0×10^-12g/mL、5.0×10^-12g/mL三种不同浓度的OTA标准品分别添加到待测物中，同样利用本发明方法再次检测其中OTA的含量，得到检测值。回收率％＝(检测值-本底值)/添加量×100％。从表二的结果来看，回收率在90.70％～117.98％，说明本发明稳定，灵敏，准确，适合用于玉米实际样品中赭曲霉毒素A的检测。

表二：玉米实际样品中赭曲霉毒素A的检测及加标回收率

Claims (1)

1.一种适配体功能化磁性纳米材料磁分离-上转换荧光纳米材料标记检测赭曲霉毒素A的方法，其特征在于：利用亲和素修饰的Fe₃O₄磁性纳米球通过亲和素与生物素之间的作用与生物素修饰的适配体DNA特异性结合，组装得到赭曲霉毒素A适配体功能化磁性纳米材料，作为磁分离试剂；利用亲和素修饰的NaYF₄:Yb，Er上转换荧光纳米材料通过亲和素与生物素之间的作用与生物素修饰的核酸适配体互补核酸单链结合，组装得到表面修饰了适配体互补DNA单链的上转换荧光纳米材料，构成核酸标记探针；再通过DNA互补杂交将赭曲霉毒素A适配体功能化磁性纳米材料和表面修饰了适配体互补DNA单链的上转换荧光纳米材料组装复合纳米结构，以980nm激光诱导NaYF₄:Yb，Er上转换荧光为检测信号；当加入目标分析物赭曲霉毒素A时，适配体DNA的空间构象发生变化，与赭曲霉毒素A发生特异性结合，使得适配体DNA与适配体互补单链DNA解链，从而导致部分NaYF₄:Yb，Er上转换荧光纳米材料与Fe₃O₄磁性纳米球分离，使得Fe₃O₄磁性纳米球表面组装的NaYF₄:Yb，Er上转换荧光纳米材料的发光信号减小，基于此对赭曲霉毒素A标准品进行检测，建立标准曲线，以达到对含赭曲霉毒素A样品进行定量检测的目的。

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