CN108982606B - 基于聚酰胺酸和肌氨酸氧化酶的肌氨酸电化学检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于聚酰胺酸(PAA)和肌氨酸氧化酶(SOX)构建了一种肌氨酸电化学检测方法,实现复杂样品中肌氨酸的检测。首先对玻碳电极(GCE)进行预处理,将二甲基甲酰胺(DMF)溶液作为溶剂制备PAA溶液,并进行超声处理,然后将上述溶液沉积在GCE表面,并在室温下干燥过夜,随后将均匀分散的戊二醛溶液滴加到上述GCE表面,并在25℃下干燥2小时以形成膜,最后,将SOX溶液滴在改性的GCE上形成SOX层,用于肌氨酸的检测。PAA是具有阳离子络合性质的聚合物,由于其羧基作用,可以作为还原剂来提高该电化学方法的灵敏度,从而实现对肌氨酸的灵敏检测。
Description
技术领域
本发明属于生物医学检测技术领域,具体涉及一种肌氨酸电化学检测方法,更具体地,涉及一种基于聚酰胺酸和肌氨酸氧化酶的肌氨酸电化学检测方法。
背景技术
前列腺癌(PCa)是男性中的常见癌症,具有递增的发生率以及高的转移和复发风险。前列腺癌是指发生在前列腺的上皮性恶性肿瘤。2004年WHO《泌尿系统及男性生殖器官肿瘤病理学和遗传学》中前列腺癌病理类型上包括腺癌(腺泡腺癌)、导管腺癌、尿路上皮癌、鳞状细胞癌、腺鳞癌。其中前列腺腺癌占95%以上,因此,通常我们所说的前列腺癌就是指前列腺腺癌。2012年我国肿瘤登记地区前列腺癌发病率为9.92/10万,列男性恶性肿瘤发病率的第6位。发病年龄在55岁前处于较低水平,55岁后逐渐升高,发病率随着年龄的增长而增长,高峰年龄是70~80岁。家族遗传型前列腺癌患者发病年龄稍早,年龄≤55岁的患者占43%。
因此,其早期检测对于提高存活率是至关重要的。目前,游离前列腺特异性抗原(fPSA)的百分比是诊断PCa患者的唯一诊断指标。然而,由于fPSA的低浓度和短半衰期,它经常导致假阴性测试结果。最近的研究表明,肌氨酸在前列腺癌患者细胞和尿液中均有增高,肌氨酸诊断PCa的准确率高于fPSA。更重要的是,肌氨酸可以容易地在尿中检测到。这种行为使肌氨酸成为PCa临床诊断的一种非侵入性检测。
当前肌氨酸的检测方法主要包括两种。一种是肌氨酸的直接测定,其通常包括色谱法和质谱法。上述技术的主要缺点是仪器成本高、操作复杂,这不适合于临床诊断。另一种是间接定量,其可以通过检测由肌氨酸氧化酶(SOX)和肌氨酸反应产生的H2O2来实现,包括比色法,荧光计和电化学方法。其中,电化学方法由于其操作简单,灵敏度高,选择性高等优点,备受关注。
目前已有一些关于肌氨酸的检测方法专利,如中国专利200910265395.7公开了一种肌氨酸的检测方法,该方法包括:向毛细管中注入运行缓冲液,并向所述毛细管内注入样品溶液,在所述毛细管两端施加电压,进行毛细管电泳电化学发光检测。该发明选择吡啶钌系衍生物作为发光试剂,并优选使用具有高灵敏度和高稳定性的联吡啶钌,通过简单的仪器,实现了对肌氨酸高效、快速地检测,并且此种方法较色谱-质谱联法相对便宜,但该发明可检测的样品溶液仅限被稀释的肌氨酸溶液,无法实现对复杂样品中肌氨酸的检测。
因此,本发明旨在提供一种肌氨酸的电化学检测方,该法方法可实现对复杂样品中的肌氨酸进行电化学检测,并且具有显著的灵敏度。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题,本发明提供一种肌氨酸的电化学检测方法,具体地,是一种基于聚酰胺酸(PAA)和肌氨酸氧化酶(SOX)的肌氨酸电化学检测方法,以实现对复杂样品中的肌氨酸进行电化学检测,并且具有显著的灵敏度。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
(1)聚酰胺酸(PAA)和肌氨酸氧化酶(SOX)在玻碳电极(GCE)上的固定化
1)将二甲基甲酰胺(DMF)溶液作为溶剂制备聚酰胺酸(PAA)溶液,并将聚酰胺酸(PAA)溶液超声处理至PAA完全溶解,得超声处理后的聚酰胺酸(PAA) 溶液;
2)将步骤1)得到的聚酰胺酸(PAA)溶液沉积在玻碳电极(GCE)表面,并在室温下干燥过夜,得到PAA修饰的玻碳电极(GCE);
3)将均匀分散的2.5%戊二醛溶液滴加到步骤2)得到的玻碳电极(GCE)表面,并在25℃下干燥2小时以在GCE表面形成膜;
4)将肌氨酸氧化酶(SOX)溶液滴在步骤3)得到的玻碳电极(GCE)表面上,并在4℃下过夜以在GCE表面形成肌氨酸氧化酶(SOX)层;
(2)电化学检测
用计时电流法在含有不同浓度肌氨酸的0.5M PBS(pH7.2)中进行,起始电位为-0.4V,滴样间隔时间为150s;
用电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,简称EIS)在含有0.1M KCl的5.0mM[Fe(CN)6]3-/4-溶液中进行,频率为10-104Hz。
进一步地,所述的步骤(1)-1)中制备的聚酰胺酸(PAA)浓度为3-5mg/mL,优选地,所述的聚酰胺酸(PAA)浓度为4mg/mL。
进一步地,所述的步骤(1)-1)中超声处理时间为20-40分钟,优选地,所述的超声时间为30分钟。
进一步地,所述的步骤(1)-2)中沉积在玻碳电极(GCE)表面的聚酰胺酸(PAA) 溶液的体积为3-6μL,优选地,所述的聚酰胺酸(PAA)体积为5μL。
进一步地,所述的步骤(1)-3)中将滴加到改性的玻碳电极(GCE)表面的 2.5%戊二醛溶液体积为3-6μL,优选地,所述的2.5%戊二醛溶液体积为5μL。
进一步地,所述的步骤(1)-4)中将滴加到玻碳电极(GCE)表面上的肌氨酸氧化酶(SOX)溶液体积为3-6μL,优选地,所述的肌氨酸氧化酶(SOX)溶液体积为 5μL。
进一步地,所述的步骤(1)-4)中肌氨酸氧化酶(SOX)溶液浓度为1mg/mL。
本发明基于聚酰胺酸(PAA)和肌氨酸氧化酶(SOX)构建了一种肌氨酸电化学检测方法,实现复杂样品中肌氨酸的检测(原理如附图1所示)。肌氨酸的定量检测是通过由SOX催化分解肌氨酸产生的H2O2的电化学检测来实现的,肌氨酸分解产生的H2O2可以氧化PAA的羧酸基团以形成过氧酸基团,PAA是具有阳离子络合性质的聚合物,由于其羧基作用,可以作为还原剂来提高该电流型生物电化学方法的灵敏度。本发明构建的电化学检测方法在检测生物样品中表现出优异的分析性能,显示出显著的潜在临床应用价值。
相比于现有技术,本发明的有益效果为:
(1)本发明可实现对复杂样品中的肌氨酸进行电化学检测,并且具有显著的灵敏度。
(2)本发明中的检测方法在检测生物样品中表现出优异的分析性能,显示出较大的潜在临床应用价值。
(3)为前列腺癌的无创、早期诊断提供了新方法和新思路。
附图说明
图1为本发明肌氨酸的电化学检测的原理图。
图2为实验例1中的扫描电镜图。
图3为实验例1中的电化学交流阻抗图谱
图4为实验例2中对实验条件的优化结果图。
图5为实施例3中的肌氨酸电化学检测结果图。
图6为实验例3中的重现性和特异性实验结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明,但是本发明的保护范围并不仅局限于此。
所用的材料和仪器:聚酰胺酸(PAA),戊二醛(25%),氯化铵,肌氨酸,肌酐,尿素,二甲基甲酰胺(DMF)和来自芽孢杆菌的肌氨酸氧化酶(冻干粉末,20-48单位/mg)购自Sigma-Aldrich公司;所有的化学品都是分析纯的,不经进一步纯化使用;在整个发明中使用超纯水(25℃下电导率>18MV.cm);用0.1M NaHPO 4和0.1M Na 2PO4制备pH7.2的磷酸盐缓冲溶液(PBS)。
使用CHI 660D电化学工作站(上海晨华仪器有限公司)进行循环伏安法 (CV),计时电流法和电化学阻抗谱(EIS)。在JEOL-1200EX SEM(日本)和 Hitachi X-650(日本)上进行扫描电子显微镜(SEM)。
实施例1聚酰胺酸(PAA)和肌氨酸氧化酶(SOX)玻碳电极(GCE)上的固定化
对玻碳电极(GCE,直径3mm)进行预处理,首先将甲基甲酰胺(DMF) 溶液作为溶剂制备浓度为4mg/mL的聚酰胺酸(PAA)溶液,并将制得的聚酰胺酸(PAA)溶液超声处理30分钟以确保PAA完全溶解,然后将5μL超声处理后的聚酰胺酸(PAA)溶液沉积在GCE表面,并在室温下干燥过夜。随后,将均匀分散的5μL的2.5%戊二醛溶液滴加到改性GCE的表面,并在25℃下干燥2 小时以形成膜。最后,将5μL的肌氨酸氧化酶(SOX)溶液(1mg/mL)滴在改性的GCE表面上,并在4℃下过夜以形成SOX层。
实施例2电化学检测
用计时电流法在含有不同浓度肌氨酸的5mL 0.5M PBS(pH7.2)中进行,起始电位为-0.4V,滴样间隔时间为150s;
其中,氨基酸浓度为(a)1、(b)2.5、(c)5、(d)10、(e)25、(f)50、 (g)75、(h)100和(i)125nM;
用电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,简称EIS)在含有0.1M KCl的5.0mM[Fe(CN)6]3-/4-溶液中进行,频率为10-104Hz。
实验例1电极的修饰过程
本实验例通过扫描电镜(SEM)对改性电极的表面形态进行了研究。附图 2a显示裸GCE的平面形貌;附图2b显示滴加有均匀PAA层的PAA/GCE,结果表明聚合物已经以良好的粘附性覆盖在电极表面上;附图2c显示具有可见厚层的戊二醛/PAA/GCE的SEM图像;附图2d显示SOX/戊二醛/PAA/GCE的SEM 图像,其清楚地显示SOX已经固定在改性电极表面上。
为进一步验证电极的修饰过程,本实验例利用电化学阻抗谱(EIS)对电极的修饰过程进行了验证。如附图3所示,裸电极的EIS(曲线a)类似于直线;在PAA固定之后,出现一个小的半圆(曲线b),表明玻碳电极界面电子转移电阻增加,PAA的组装单层可能阻碍[Fe(CN)6]3-/4-与GCE之间的电子传输;当用戊二醛进一步处理改性电极时,半圆的直径显着增加(曲线c),表明戊二醛已经修饰在玻碳电极表面;此外,如曲线d所示,当随后用SOX处理改性电极时,半圆的直径变大,表明SOX已经和电极表面的戊二醛结合,修饰在电极表面。
实验例2实验条件的优化
为了获得最佳的检测性能,设肌氨酸浓度为50nM,本实验例对影响电化学方法的的几个重要条件进行了优化。
(1)PAA的浓度对生物电化学方法的性能的影响。如图4a所示,当PAA超过4mg/mL时,电流响应达到稳定状态,因此,考虑到电流响应,在整个发明中选择4mg/mL的PAA;
(2)对SOX的浓度进行了优化,当肌氨酸浓度为50nM时,在0.1-1.5mg/mL 范围内,本发明对电流响应进行了检测。如图4b所示,当SOX的浓度为1mg/mL 时,获得的电流响应最强,可能由于空间效应破坏了过氧化氢和PAA之间的相互作用,其随着SOX的增加而逐渐降低。因此,本发明选择SOX的最佳反应浓度为1mg/mL。
实施例3肌氨酸的电化学检测
在实验例2得出的最适条件下,本实施例用实施例2的电化学检测方法对不同浓度的肌氨酸进行了检测。
图5a在SOX/戊二醛/PAA修饰电极上连续测定不同浓度肌氨酸的安培响应曲线:(a)1,(b)2.5,(c)5,(d)10,(e)25,(f)50,(g)75,(h)100, (i)125nM,在搅拌的5mL 0.5MPBS(pH 7.2)中,电位为-400mV;图5b峰电流随肌氨酸浓度增加的校正曲线,误差条表示三个独立实验的标准偏差。
如图5a所示,电流响应随着肌氨酸浓度的增加而增强,在1-125nM范围内,电流相应与肌氨酸浓度呈良好的线性关系,检测限为0.4nM(S/N=3),与现有技术相比,本发明的电化学方法具有显著的灵敏度;
其中,现有技术如文献Colorimetric determination of sarcosine in urinesamples of prostatic carcinoma by mimic enzyme palladium nanoparticles中的比色法,其检测限为0.5nM;再如文献Sarcosine oxidase composite screen-printedelectrode for sarcosine determination in biological samples.中采用的电化学方法,其检测限为16 nM,即,本发明的电化学检测方法的灵敏度明显高于现有技术的灵敏度。
实验例3电化学检测方法的重现性和特异性
该实验例用实施例2的检测方法对50nm肌氨酸和50nm其他干扰蛋白或氨基酸进行检测,用来评价该电化学检测方法的再现性,其相对标准偏差(RSD%) 为4.8%,误差条表示三个独立实验的标准偏差,表明本发明的电化学检测方法具有良好的重现性,为验证本发明的电化学检测方法的特异性,该实验例进行了一系列对照实验;
如图6所示,所有对照蛋白或氨基酸的信号读出几乎与空白对照相同,这个结果是合理的,因为SOX不能催化其他非特异性底物,也证实本发明具有显著的特异性。
实验例4复杂样品中肌氨酸的检测
该实验例通过在模拟尿中加入不同量的肌氨酸测试本发明对复杂样品中肌氨酸的检测效果。将5,50和125nM肌氨酸加入到模拟尿中并进行检测,回收率和精密度实验结果如表1所示,回收率在98.32%-100.4%范围内,精密度在 4.3-5.2%范围内,该实验例表明本发明构建的电化学检测方法可用于复杂样品,如尿液样品中的肌氨酸检测;
表1
本发明基于PAA和SOX构建了一种高灵敏电化学方法用于肌氨酸的检测。 PAA作为一种还原剂有利于与过氧化氢和电子转移的相互作用,通过在GCE表面上修饰PAA,该电化学方法的具有较宽的线性范围(1-125nM)和较低的检测检测限(0.4nM,S/N=3),同时,本发明的电化学检测方法成功地用于模拟尿中肌氨酸的检测,因此在PCa的临床诊断中具有显著的潜在应用价值。
Claims (10)
1.一种基于聚酰胺酸和肌氨酸氧化酶的肌氨酸电化学检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)聚酰胺酸(PAA)和肌氨酸氧化酶(SOX)在玻碳电极(GCE)上的固定化
1)将二甲基甲酰胺(DMF)溶液作为溶剂制备聚酰胺酸(PAA)溶液,并将聚酰胺酸(PAA)溶液超声处理至其完全溶解,得超声处理后的聚酰胺酸(PAA)溶液;
2)将步骤1)得到的聚酰胺酸(PAA)溶液沉积在玻碳电极(GCE)表面,并在室温下干燥过夜,得到聚酰胺酸(PAA)修饰的玻碳电极(GCE);
3)将均匀分散的2.5%戊二醛溶液滴加到步骤2)得到的聚酰胺酸(PAA)修饰的玻碳电极(GCE)表面,并在25℃下干燥2小时以在玻碳电极(GCE)表面形成膜;
4)将浓度为1mg/mL的肌氨酸氧化酶(SOX)溶液滴在步骤3)得到的玻碳电极(GCE)表面,并在4℃下过夜以在玻碳电极(GCE)表面形成肌氨酸氧化酶(SOX)层;
(2)电化学检测
用计时电流法在含有不同浓度肌氨酸的0.5M PBS中进行,起始电位为-0.4V,滴样间隔时间为150s,其中,0.5M PBS的pH为7.2;
用电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,简称EIS)在含有0.1MKCl的5.0mM[Fe(CN)6]3-/4-溶液中进行电化学检测,频率为10-104Hz。
2.如权利要求1所述的肌氨酸电化学检测方法,其中,所述的步骤(1)-1)中制备的聚酰胺酸(PAA)浓度为3-5mg/mL。
3.如权利要求1所述的肌氨酸电化学检测方法,其中,所述的步骤(1)-1)中制备的聚酰胺酸(PAA)浓度为4mg/mL。
4.如权利要求1所述的肌氨酸电化学检测方法,其中,所述的步骤(1)-1)中超声处理时间为20-40分钟。
5.如权利要求1所述的肌氨酸电化学检测方法,其中,所述的步骤(1)-1)中超声处理时间为30分钟。
6.如权利要求1所述的肌氨酸电化学检测方法,其中,所述的步骤(1)-2)中沉积在玻碳电极(GCE)表面的聚酰胺酸(PAA)溶液的体积为3-6μL。
7.如权利要求1所述的肌氨酸电化学检测方法,其中,所述的步骤(1)-2)中沉积在玻碳电极(GCE)表面的聚酰胺酸(PAA)溶液的体积为5μL。
8.如权利要求1所述的肌氨酸电化学检测方法,其中,所述的步骤(1)-3)中滴加到改性的玻碳电极(GCE)表面的2.5%戊二醛溶液体积为3-6μL。
9.如权利要求1所述的肌氨酸电化学检测方法,其中,所述的步骤(1)-3)中滴加到改性的玻碳电极(GCE)表面的2.5%戊二醛溶液体积为5μL。
10.如权利要求1所述的肌氨酸电化学检测方法,其中,所述的步骤(1)-4)中滴加到玻碳电极(GCE)表面上的肌氨酸氧化酶(SOX)溶液体积为3-6μL。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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