CN108828239B - 一种检测水样雌激素结合活性的生物传感分析方法 - Google Patents
一种检测水样雌激素结合活性的生物传感分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种检测水样雌激素结合活性的生物传感分析方法。该方法以雌激素受体作为生物识别分子,将信号探针和传感芯片置于待测水样中,所述传感芯片捕获所述信号探针,并对所述信号探针中的荧光标记分子进行激发,所述荧光标记分子被激发后的荧光强度与所述待测水样中的雌激素含量成正比,即由所述荧光标记分子被激发后的荧光强度计算得到所述水样中的雌激素含量;所述信号探针为荧光标记的雌二醇‑链霉亲和素缀合物。该方法可实现水样雌激素结合活性的定量分析,生物传感界面可稳定再生,极大降低检测成本,具有经济、简便、快速的优点,且易于实现在线和原位监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测水样雌激素结合活性的生物传感分析方法,属于环境监测分析领域。
背景技术
水体复合污染包含结构各异、种类复杂的有毒有害化学污染物,单一以浓度表征水体复合污染及其风险具有较大的局限性。随着对环境污染效应导向分析的日益重视,以核受体为识别元件的生物传感分析方法得到了快速发展。雌激素受体是类固醇激素受体蛋白超家族中能与雌激素特异性结合的一种核受体蛋白分子。不同的雌激素污染物与雌激素受体结合后会诱导受体蛋白发生结构变化,形成或抑制二聚体的形成,进而产生不同的生物学效应,表现出拟雌激素活性或抗雌激素活性。无论是哪种表现形式,污染物与雌激素受体的结合是核受体介导雌激素效应表达的起始事件,具有高度特异性。基于这一原理,2005年Arnaud Pillon等利用受体对雌激素的亲和反应过程,从混合样品中分离筛选潜在的新兴雌激素类内分泌干扰物。该方法利用大肠杆菌表达带有6×His标签的重组人雌激素受体蛋白(hERα),重组雌激素受体蛋白结合在含镍柱材上,雌激素类物质能通过与雌激素受体结合而与样品中其他物质分离,随后将结合的雌激素进行洗脱,结合LC-MS、NMR等技术进行物质鉴定和浓度测试。该方法与传统的用于雌激素化合物检测的生物学方法相比效率更高、操作更简便,但后续需要与LC-MS、NMR等技术联用对雌激素污染物进行浓度定量分析,一方面极大提升了检测的复杂程度及检测成本,另一方面无法完整表征水样的雌激素结合活性。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测水样雌激素结合活性的生物传感分析方法。
本发明提供的对水样雌激素结合活性定量分析方法,包括:
以雌激素受体作为生物识别分子,将信号探针和传感芯片置于待测水样中,所述传感芯片捕获所述信号探针,并对所述信号探针中的荧光标记分子进行激发,所述荧光标记分子被激发后的荧光强度与所述待测水样中的雌激素含量成正比,即由所述荧光标记分子被激发后的荧光强度计算得到所述水样中的雌激素含量;
所述信号探针为荧光标记的雌二醇-链霉亲和素缀合物。
上述方法中,所述雌激素具体为雌二醇。
所述生物识别分子固载在凝胶柱上;所述凝胶柱具体为含镍琼脂糖凝胶柱;固载方式为各种常规方法。具体的,固载方法可包括如下步骤:将含有生物识别分子的溶液加入到镍柱琼脂糖凝胶柱材中摇荡孵育,离心弃上清液,用纯化缓冲液洗去杂蛋白而得。具体的,所述摇荡孵育步骤中,温度为1-5℃,具体为4℃;时间为1-3h;具体为2h。
所述荧光标记的雌二醇-链霉亲和素缀合物具体可按照如下步骤制得:
1)合成羧基化雌二醇:将4mgβ-雌二醇17-半琥珀酸酯溶于200uL 1,4-二氧己环中,随后向该溶液中加入4.8μl三正丁胺和2.6μl氯甲酸异丁酯,4℃反应1小时后,加入用1.44mL 1,4-二氧己环稀释的6μL 5-氨基戊酸,于室温反应2小时后加入3.3mL 0.1M磷酸钠(pH 7.0)终止反应而得;
2)称取5mg羧基化雌二醇溶于1mL DMF中,磁力搅拌使其完全溶解,加入2.441mgNHS和8.747mg DCC活化羧基,室温下磁力搅拌4h后,以2000r/min离心10min,收集上清,为溶液A。
用10mM pH值为7.4的PBS配制0.69mL 50mg/mL的链霉亲和素(STV)溶液,预冷至4℃,为溶液B。
将溶液A逐滴加入到溶液B中,低温搅拌反应3h后,将混合液加入到截留分子量为12000-14000道尔顿的透析袋中,放于10mM pH值为7.4的PBS中透析两天,每天换透析液3次。收集透析后的溶液,2000r/min离心10min,弃沉淀,收集上清溶液,得到雌二醇-蛋白质缀合物;
用0.1M Na2CO3-NaHCO3缓冲液(pH 9.3)配置1mL 1mg/mL雌二醇-蛋白质缀合物,加入同样缓冲液配置的22.5μL 10mg/mL水溶性Cy5.5N-羟基琥珀酰亚胺,混合液于37℃避光低速震荡反应两小时;然后将反应后的混合液加入到截留分子量为12000-14000道尔顿的透析袋中,放于含0.01%NaN3的10mM PBS中室温透析4h,然后换相同的溶液4℃透析过夜而得。
所述荧光标记分子为Cy5.5N-羟基琥珀酰亚胺。
所述传感芯片能够捕获信号探针并激发荧光标记分子。
具体的,所述传感芯片为倏逝波传感芯片。更具体的,所述倏逝波传感芯片为表面修饰有小分子配基的倏逝波传感芯片;所述小分子配基具体可为脱硫生物素小分子配基。所述脱硫生物素小分子配基与能够与信号探针中的链霉亲和素发生亲和反应捕获信号探针。所述表面修饰有脱硫生物素小分子配基的倏逝波传感芯片更具体为表面修饰有牛血清蛋白-脱硫生物素复合物的倏逝波传感芯片;更具体可为表面修饰有牛血清蛋白-脱硫生物素复合物的多通道激光诱导荧光芯片(该芯片可按照申请号为201520364595.9、发明名称为“一种多通道激光诱导荧光芯片”提供的方法制得);
具体的,所述表面修饰有脱硫生物素小分子配基的倏逝波传感芯片可按照如下步骤制得:
先将多通道激光诱导荧光芯片浸入装有piraha溶液(浓H2SO4:H2O2(v/v)=3:1)的烧杯中,于70℃加热一小时后,用超纯水充分洗涤芯片10次以上,并在室温下将芯片用氮气吹干,置于70℃真空干燥箱中过夜烘干;次日将芯片从烘箱中取出置于干燥器中冷却至室温后,浸泡于无水甲苯配制的2%(体积比)3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MTS)溶液,室温反应两小时;之后将上述芯片用无水甲苯溶液清洗数次,用氮气吹干之后放入乙醇配置的2mg/mL 4-马来酰亚胺基丁酸-N-琥珀酰亚胺酯(GMBS)溶液中,于室温反应1h。反应后的芯片用乙醇冲洗5次,再用高纯水冲洗干净。
用10mM PBS缓冲液配制浓度为2mg/mL的牛血清蛋白-脱硫生物素复合物(BSA-DTB)溶液;将上述复合物溶液滴加在芯片表面的传感位点上,于保湿盒中,滴加在芯片相应位置,4℃过夜反应。次日用去离子水清洗芯片后,将芯片置于用10mM PBS缓冲液配置的2mg/mL BSA溶液封闭两小时,随后用高纯水冲洗干净,氮气吹干而得。
本发明以雌激素受体为生物识别分子,荧光标记的“雌二醇-链霉亲和素”缀合物作为信号探针,利用倏逝波传感芯片上固定的脱硫生物素小分子配基与缀合物中链霉亲和素发生亲和反应捕获信号探针。当水样中的环境雌激素与缀合物上的雌二醇竞争与雌激素受体结合,未结合的缀合物被传感芯片捕获,利用倏逝波激发缀合物上标记的荧光分子,荧光信号与水样雌激素结合活性成正比,从而实现对水样雌激素结合活性的定量分析。
具体而言(如图1):将生物识别分子(雌激素受体蛋白)固载到含镍琼脂糖凝胶柱材上,在无外源雌激素存在时,荧光标记的雌二醇-蛋白(链霉亲和素)缀合物被结合到柱材表面的雌激素受体上,经离心分离后上清液中缀合物数量较低。当有外源雌激素进入体系中,与荧光标记的雌二醇-蛋白缀合物竞争结合柱材表面的受体,经离心分离后上清液中游离荧光标记的雌二醇-蛋白缀合物数量增加。同时,在芯片表面修饰脱硫生物素(如图2),将体系上清液中的荧光标记缀合物捕获至芯片表面,在倏逝场内荧光物质被激发,继而利用洗脱液和再生液依次冲洗芯片,使结合的链霉亲和素从芯片表面上脱落下来,完成一轮检测;该过程中由计算机全程采集并记录荧光信号。将获得的信号与外源雌激素的结合活性联合分析,达到检测的目的。
本发明提出了一种检测水样雌激素结合活性的生物传感分析方法。该方法以倏逝波传感芯片为平台,通过引入“配体-蛋白质”缀合物等理性设计,构建了基于受体作用理论的倏逝波传感分析方法,可实现水样雌激素结合活性的定量分析,生物传感界面可稳定再生,极大降低检测成本,具有经济、简便、快速的优点,且易于实现在线和原位监测。
附图说明
图1为本发明一种基于受体作用理论的倏逝波传感对环境雌激素识别的示意图。
图2为本发明芯片表面修饰脱硫生物素的方法。
图3为本发明雌二醇-链霉亲和素-荧光标记物偶联体合成方法示意图。
图4为本发明对雌二醇的检测标准曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述,但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。以下说明以多通道平面波导倏逝波生物传感器(CN103245641A)为检测平台,但本发明不受以下实施方式的限制,凡基于本发明的思想做出的改进或变形应属于本发明的保护范围。
实施例1、
1)制作受体蛋白亲和柱
复苏转化了His-ER表达质粒的大肠杆菌,涂布于含有50mg/L卡那霉素的LB平板上,16h后挑取单克隆至含有卡那霉素的LB培养基中,37℃震荡培养20h,吸取15mL到100mL含15%蔗糖的LB培养基,37℃震荡培养3h后,梯度降温,在3h内温度降至15摄氏度,加入终浓度为0.5mM的IPTG低温诱导16h。离心菌液得到菌体,加入10mL裂解缓冲液重悬菌体,超声破碎仪上破碎后,高速低温离心得到上清。将上清液加入到200μL镍柱琼脂糖凝胶柱材中4℃摇荡孵育2h,离心弃上清,用纯化缓冲液洗去杂蛋白,平均分装成20份,速冻后于-80℃保存备用。
2)合成Cy5.5标记的雌二醇-蛋白质缀合物
合成羧基化雌二醇:将4mgβ-雌二醇17-半琥珀酸酯溶于200uL 1,4-二氧己环中,随后向该溶液中加入4.8μl三正丁胺和2.6μl氯甲酸异丁酯,4℃反应1小时后,加入用1.44mL 1,4-二氧己环稀释的6μL 5-氨基戊酸,于室温反应2小时后加入3.3mL 0.1M磷酸钠(pH 7.0)终止反应。通过HPLC纯化合成的羧基化雌二醇。
称取5mg羧基化雌二醇溶于1mL DMF中,磁力搅拌使其完全溶解。加入2.441mg NHS和8.747mg DCC活化羧基,室温下磁力搅拌4h后,以2000r/min离心10min,收集上清,为溶液A。
用10mM pH值为7.4的PBS配制0.69mL 50mg/mL的链霉亲和素(STV)溶液,预冷至4℃,为溶液B。
将溶液A逐滴加入到溶液B中,低温搅拌反应3h后,将混合液加入到截留分子量为12000-14000道尔顿的透析袋中,放于10mM pH值为7.4的PBS中透析两天,每天换透析液3次。收集透析后的溶液,2000r/min离心10min,弃沉淀,收集上清溶液,即得到雌二醇-蛋白质缀合物,-20℃保存备用。
用0.1M Na2CO3-NaHCO3缓冲液(pH 9.3)配置1mL 1mg/mL雌二醇-蛋白质缀合物,加入同样缓冲液配置的22.5μL 10mg/mL水溶性Cy5.5N-羟基琥珀酰亚胺,混合液于37℃避光低速震荡反应两小时;然后将反应后的混合液加入到截留分子量为12000-14000道尔顿的透析袋中,放于含0.01%NaN3的10mM PBS中室温透析4h,然后换相同的溶液4℃透析过夜,次日收集透析后的Cy5.5标记的雌二醇-蛋白质缀合物,紫外测定Cy5.5标记比。
(3)制作脱硫生物素修饰的芯片
首先,将多通道激光诱导荧光芯片(该芯片可按照申请号为201520364595.9、发明名称为“一种多通道激光诱导荧光芯片”提供的方法制得);浸入装有piraha溶液(浓H2SO4:H2O2(v/v)=3:1)的烧杯中,于70℃加热一小时后,用超纯水充分洗涤芯片10次以上,并在室温下将芯片用氮气吹干,置于70℃真空干燥箱中过夜烘干;次日将芯片从烘箱中取出置于干燥器中冷却至室温后,浸泡于无水甲苯配制的2%(体积比)3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MTS)溶液,室温反应两小时;之后将上述芯片用无水甲苯溶液清洗数次,用氮气吹干之后放入乙醇配置的2mg/mL 4-马来酰亚胺基丁酸-N-琥珀酰亚胺酯(GMBS)溶液中,于室温反应1h。反应后的芯片用乙醇冲洗5次,再用高纯水冲洗干净。
用10mM PBS缓冲液配制浓度为2mg/mL的牛血清蛋白-脱硫生物素复合物(BSA-DTB)溶液;将上述复合物溶液滴加在芯片表面的传感位点上,于保湿盒中,滴加在芯片相应位置,4℃过夜反应。次日用去离子水清洗芯片后,将芯片置于用10mM PBS缓冲液配置的2mg/mL BSA溶液封闭两小时,随后用高纯水冲洗干净,氮气吹干后于4℃保存(整体修饰过程如图3所示)。
(4)检测水体中的雌二醇
首先用含5mg/mL BSA的10mM PBS缓冲液配置雌二醇标准液(0.1、1、10、50、100、1000和10000μg/L)备用;
用含5mg/mL BSA的10mM PBS缓冲液配置5μg/mL E2(代表雌二醇)-STV-Cy5.5缀合物;
取出1管-80℃冻存的受体蛋白亲和柱,置于冰上解冻后,用10mM PBS溶液清洗3次后,分别取出含50pmol ER的亲和柱,加入0.5mL 5μg/mL的E2-STV-Cy5.5缀合物,于4℃反应过夜后离心丢弃上清;将所配置的E2标准溶液加入到上述样品中,反应8h后离心,取出450μL上清液通入倏逝波传感平台。在检测过程中,首先用PBS缓冲液冲洗芯片表面直至基线平稳;基线平稳后,通入于反应后的上清液,开启蠕动泵进样13s;之后停止蠕动泵,使待测液在反应池内反应300s;再次开启蠕动泵,通入洗脱液;最后通入PBS缓冲液,至基线平稳,同时停止采样,保存数据。
Claims (1)
1.一种对水样雌激素结合活性定量分析方法,包括:
以雌激素受体作为生物识别分子,将信号探针和传感芯片置于待测水样中,所述传感芯片捕获所述信号探针,并对所述信号探针中的荧光标记分子进行激发,所述荧光标记分子被激发后的荧光强度与所述待测水样中的雌二醇含量成正比,即由所述荧光标记分子被激发后的荧光强度计算得到所述水样中的雌二醇含量;
所述信号探针为荧光标记的雌二醇-链霉亲和素缀合物;
所述生物识别分子固载在含镍琼脂糖凝胶柱;
所述荧光标记分子为Cy5.5 N-羟基琥珀酰亚胺;
所述传感芯片为表面修饰有脱硫生物素小分子配基的倏逝波传感芯片。
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