CN109632910B - 功能化Fe3O4/Au纳米复合材料的制备方法及其在真菌毒素检测的应用 - Google Patents

功能化Fe3O4/Au纳米复合材料的制备方法及其在真菌毒素检测的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种功能化Fe3O4/Au纳米复合材料的制备方法及其在真菌毒素检测的应用。其方法为：将金纳米颗粒负载在磁珠表面，5’末端标记巯基的捕获DNA探针通过Au‑S共价键修饰在Fe3O4/Au表面，加入赭曲霉毒素A(OTA)适配体链，与捕获探针形成稳定的双链结构。本发明的有益成果在于：Fe3O4/Au的合成方法操作简单，易得；Fe3O4/Au复合材料结合了磁珠在磁场环境下快速富集，金纳米颗粒的高导电性和良好的生物相容性等优势。Fe3O4/Au结合适配体链的高选择性，发展一种新型传感器，实现对真菌毒素的检测，操作简单，灵敏度高。

Description

功能化Fe3O4/Au纳米复合材料的制备方法及其在真菌毒素检 测的应用
技术领域
本发明属于纳米复合材料与电化学生物传感技术结合的研究领域，特别涉及一种Fe3O4/Au纳米复合材料的制备方法，利用这种材料在磁场下快速富集和表面的金纳米颗粒可以通过Au-S键修饰DNA的性质，应用于发展一种对真菌毒素检测的适配体生物传感技术。
背景技术
赭曲霉毒素A(OTA)是一种霉菌毒素，主要由赤曲霉、碳曲霉和疣状青霉等真菌种类产生，可污染各种食品，如谷物和谷类制品、咖啡、豆类、牛奶和奶制品、鸡蛋、猪肉和肉制品、葡萄酒、啤酒等。它的免疫毒性、肝氧性、致畸性、神经毒性和致癌性使其成为国际癌症研究机构(IARC)分类的可能的人类致癌物(2B)。欧盟委员会将原生谷物、可溶性咖啡和葡萄酒的OTA最高水平分别定为5.0g μg-1、10g μg-1和2.0g L-1。因此，采用一种非常灵敏的低水平OTA 检测方法已迫在眉睫。目前，OTA测定最常用的方法是色谱技术包括高效液相色谱法(HPLC)耦合荧光检测(FD)或质谱(MS)，气相色谱法(GC)以及薄层色谱法 (TLC)。所有这些方法都需要经过专门培训的人员和高昂的设备成本。
近年来，又发展了酶联免疫吸附测定(ELISA)、表面等离子体共振(SPR) 等方法用来检测食物中含有的赭曲霉毒素A。尽管这些方法比较灵敏，简单，但这些方法都需要一个稳定的抗体来源，而且耗时还比较久、花费也比较高。
因此，迫切需要发展一种简单快捷、耗时短、灵敏度高的检测方法来检测食品中赭曲霉毒素A的含量。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种负功能化Fe3O4/Au纳米复合材料的制备方法及其在真菌毒素检测的应用。
为实现上述目的，本发明的第一个发明目的是提供一种功能化Fe3O4/Au纳米复合材料的制备方法，其技术方案是：将氨基修饰的Fe3O4磁珠培养在氯金酸的溶液中过夜，磁吸去除上清液，加入还原剂盐酸羟胺，在磁珠表面生长金种子，然后同时缓慢加入氯金酸和盐酸羟胺，使磁珠表面的金种子长大，制得负载金纳米颗粒的磁珠纳米复合材料，表征为Fe3O4/Au纳米复合材料。
进一步设置是还需重复多次以下步骤：缓慢加入氯金酸和盐酸羟胺，使磁珠表面的金种子长大。
进一步设置是还包括以下步骤：
(1)1mL Fe3O4磁珠用0.05％Tween PH 8.5氨水溶液磁吸洗涤5次进行活化，加入36mL 0.05％Tween PH 8.5氨水和1.4mL 1wt％HAuCl4，溶液置于反应容器中，置于摇床过夜；
(2)磁吸去除上清液，用0.05％Tween PH 8.5氨水洗涤两次，然后加39mL 0.05％Tween PH 8.5氨水和1.4mL 20mM NH2OH·HCl，摇床反应10h，磁吸除去上清液，用1mg/mL聚乙烯吡咯烷酮洗涤两次除去溶液中的金纳米颗粒，用氨水洗涤2次；
(3)上述反应液磁吸后加入37mL 0.05％Tween PH 8.5氨水，然后加入29 μL 1％HAuCl4和425μL 20mM NH2OH·HCl，用1mg/mL聚乙烯吡咯烷酮、 0.05％Tween PH 8.5氨水分别洗涤两次，磁吸去除上清液，本步骤操作重复几次，在Au种子上分别进行1-4次覆盖，得到Fe3O4/Au纳米复合材料，最后，将Fe3O4/ Au纳米复合材料分散在10mL 0.5％且含1％柠檬酸三钠的聚乙烯吡咯烷酮溶液。
本发明还提供一种基于所述的功能化Fe3O4/Au纳米复合材料的真菌毒素检测传感器，将捕获探针修饰在所述的Fe3O4/Au纳米复合材料表面，获得真菌毒素检测传感器，所述的捕获探针的核苷酸序列5′→3′为SH-TGTCCGATGCAAA。
本发明还提供一种如上述的真菌毒素检测传感器在线性检测食品中的OTA 毒素的应用。
进一步设置是在总反应的体系中，加入定量的标记Capture Probe的 Fe3O4/Au复合材料和OTA适配体链，一定的核酸外切酶Ⅰ的缓冲溶液，适量的灭菌水，置于90℃水浴5min，然后置于55℃杂交2h，加入ExnoⅠ和不同浓度的OTA，置于37℃水浴1.5h，然后加入适量的乙二胺四乙酸(EDTA)，反应15min，磁吸去除上清液，用PBS洗涤。加入适量的灭菌水，TdT转移酶缓冲液，TdT转移酶，dTTP置于37℃温育2h，最后加入反应15min使TdT 转移酶灭活。最后用灭菌水洗涤5次，加入45μL灭菌水。
本设置中，捕获探针和OTA适配体杂交的温度为55℃，原因是温度低于 55℃，单链DNA会自身杂交，高于55℃，杂交形成的双链DNA不能稳定存在。步骤(2)、(3)中，将DNA链置于90℃水浴5min的目的是使单链DNA 自身配对杂交的结构解离。本设置中，酶的反应温度37℃，原因是在37℃，酶工作活性最高。本设置中，在酶工作结束后，加入乙二胺四乙酸(EDTA)的目的是络合酶缓冲液中的镁离子，使酶失活，停止工作。
将上述最终得到的反应液混匀，在间隙阵列电极下方放置一块磁铁，在磁场的作用下，将上述反应液滴涂5μL在电极表面，然后用电化学工作站测线性伏安曲线(LSV)。
所述捕获探针和OTA适配体链分别指表1中的Capture Probe DNA序列和 OTAaptamer DNA序列。
表1.方法中合成的核酸序列(5’→3’)
Figure BDA0001913865900000031
捕获探针和OTA适配体链部分互补配对，并且OTA适配体链与OTA毒素的特异性结合力远远大于其与捕获探针的结合力，因此，加入OTA毒素后，可以竞争结合OTA适配体链从稳定的双链结构解离下来。
本发明所制备的Fe3O4/Au纳米复合材料在磁场作用下快速富集的性质、金纳米颗粒高导电性和生物相容性、适配体链的高选择性及酶的高效催化性，发展了一种Fe3O4/Au作为导电桥梁调控电化学信号转导的适配体传感器，实现对赭曲霉毒素A的快速、灵敏的检测。
具体原理如图1所示：将金纳米颗粒负载在磁珠表面(Fe3O4/Au)，5’末端标记巯基的捕获DNA探针通过Au-S共价键修饰在Fe3O4/Au表面，加入赭曲霉毒素A(OTA)适配体链，与捕获探针形成稳定的双链结构。当目标物OTA存在时，适配体和OTA之间很强的结合力会使适配体从双链DNA上解离出来，形成OTA-适配体复合物，核酸外切酶Ⅰ(ExoⅠ)就会把OTA-适配体复合物中的适配体链水解为单核苷酸，并释放出OTA毒素来触发更多的反应和催化水解。同时，ExoⅠ会水解Fe3O4/Au表面的单链捕获探针DNA，随后，加入TdT 转移酶和dTTP，由于Fe3O4/Au表面的DNA链被核酸外切酶Ⅰ水解，所以不会发生DNA链的延长。因此，在磁场作用下，Fe3O4/Au在间隙阵列电极绝缘处连接起来形成导电桥梁，使得电导率升高。
当OTA不存在时，Fe3O4/Au表面的双链DNA不能被核酸外切酶Ⅰ水解，加入TdT转移酶，会使得双链DNA中的捕获探针3’端延长，在磁场作用下，间隙阵列电极绝缘处的Fe3O4/Au被DNA分隔开，从而使得电导率降低。基于上述方法，对OTA的检测下限达到0.85ng/mL。
本发明的有益成果在于：
(1)Fe3O4/Au的合成方法操作简单，易得；
(2)Fe3O4/Au复合材料结合了磁珠在磁场环境下快速富集，金纳米颗粒的高导电性和良好的生物相容性等优势。
(3)Fe3O4/Au结合适配体链的高选择性，发展一种新型传感器，实现对真菌毒素的检测，操作简单，灵敏度高。
综上所述：一方面本发明提供的Fe3O4/Au纳米复合材料的制备方法，操作简单，易得，室温下即可完成，易于大规模生产；另一方面，将制得的Fe3O4/Au 纳米复合材料应用于检测毒素的生物传感器，可以实现对毒素的灵敏检测，并且可以成为检测其他真菌毒素的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1：本发明制备的Fe3O4/Au纳米复合材料应用于真菌毒素检测的原理图；
图2：本发明制备的Fe3O4/Au纳米复合材料的相关电镜表征，图2a为磁珠的透射电镜照片，图2b为Fe3O4/Au纳米复合材料的扫描电镜照片，图2c为 Fe3O4/Au纳米复合材料的透射电镜照片，图2d为Fe3O4/Au纳米复合材料在透射电镜下的元素分布图；
图3：本发明实施例1制得的Fe3O4/Au纳米复合材料应用于生物传感器中，特异性检测OTA毒素；
图4：本发明实施例2制得的Fe3O4/Au纳米复合材料应用于赭曲霉毒素适配体生物传感器中，在不同的OTA浓度，电导率的变化；
图5：本发明实施例2制得的Fe3O4/Au纳米复合材料应用于赭曲霉毒素适配体生物传感器中，电导率与OTA浓度对数值的线性关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
制备实施例：
(1)合成Fe3O4/Au纳米复合材料
1mL活化的磁珠(用0.05％Tween PH 8.5氨水溶液磁吸洗涤5次)，加入 36mL0.05％Tween PH 8.5氨水和1.4mL 1％HAuCl4，溶液置于100mL烧杯，置于摇床反应24h，磁吸去除上清液，用0.05％Tween PH 8.5氨水洗涤两次，然后加39mL 0.05％Tween PH 8.5氨水和1.4mL 20mM NH2OH·HCl，摇床反应 10h，磁吸除去上清液，用1mg/mL PVP洗涤两次，用氨水洗涤2次。PVP(聚乙烯吡咯烷酮)洗涤的目的：除去溶液中的金纳米颗粒。
上述反应液磁吸后加入37mL 0.05％Tween PH 8.5氨水，然后加入29μL 1％HAuCl4+425μL 20mM NH2OH·HCl(超声分散下两者同时分几次滴加)，用1 mg/mL PVP、0.05％Tween PH 8.5氨水分别洗涤两次，磁吸去除上清液。上述操作重复几次，在Au种子上分别进行1-4次覆盖。最后，将Fe3O4/Au分散在10mL 0.5％PVP(含1％柠檬酸三钠)溶液中。所述方法中摇床反应设置为25℃，300 rpm。
(2)捕获DNA探针在Fe3O4/Au上的标记
取989μL 10μmol表1中Capture Probe，加入18.5mL的灭菌水中，然后放入90℃水浴5min后再缓慢冷却至室温，然后加入Fe3O4/Au 1mL，将混合液置于培养皿中室温摇床反应24h，(1)加入204.65μL 10mM PBS(PH＝7.0)和 5.227μL 2M NaCl，反应8h；(2)加入5.6μL2M NaCl，反应8h；(3)加入 12.135μL 2M NaCl，反应8h；(4)加入13.597μL 2M NaCl，反应8h(PBS 最终浓度为0.1mM，NaCl最终浓度为36.559mM)，用0.05％Tween PH 8.5的氨水洗涤2次，用水洗涤3次，分散在10mL水中(-SH标记DNA浓度为9.89 μmol)。
检测实施例1：Fe3O4/Au纳米复合材料应用于适配体传感器，特异性检测 OTA
(1)合成Fe3O4/Au纳米复合材料
(2)在Fe3O4/Au纳米复合材料表面标记Capture Probe
(3)特异性分析食品中的OTA毒素
取100μL标记有Capture Probe的Fe3O4/Au，磁吸去除上清液，重新悬浮在NEBuffer1缓冲溶液中(48μL灭菌水+15μL 10×NEBuffer 1(670mM Glycine-KOH,67mM MgCl2,PH9.5，25℃))，加入49.45μL 10μmol OTAaptamer (最终浓度为3μmol)放入90℃水浴5min后，再放入55℃水浴杂交2h，加入4.9μL 20U/μL ExnoⅠ和7.5μL 200ng/mL(最终浓度为10ng/mL)的OTA，置于37℃水浴1.5h，然后加入12μL 100mM的EDTA，反应15min使ExnoⅠ失活，磁吸去除上清液，用PBS洗涤。加入10μL 10×NEBuffer4(500mM KAc， 200mM Tris-Ac，100mM Mg(Ac)2·4H2O，2.5mM CoCl2·6H2O，PH 7.9，25℃) 24μL灭菌水，2μL 20U/μL TdT转移酶(最终浓度为0.4U/μL)，40μL 1μmol dTTP置于37℃温育2h，最后加入8μL 100mM EDTA反应15min使TdT转移酶灭活。最后用灭菌水洗涤5次，加入45μL灭菌水。其测得的数据对应附图3中OTA柱状图。
将上述最终得到的反应液混匀，在间隙阵列电极下方放置一块磁铁，在磁场的作用下，将上述反应液滴涂5μL在电极表面，然后用电化学工作站测线性伏安曲线(LSV)。
保证其他条件不变，将上述过程中7.5μL 200ng/mL的OTA分别改为7.5 μL 2μg/mL的黄曲霉毒素(AFB1)，使得其最终浓度为100ng/mL和7.5μL 2 μg/mL的伏马毒素(FumonisinB1)，使得其最终浓度为100ng/mL。其测得的数据分别对应图3中的AFB1和FumonisinB1柱状图。
保证其他条件不变，将上述过程中48μL灭菌水改为33μL灭菌水，7.5μL 200ng/mL的OTA改为7.5μL 200ng/mL的OTA，7.5μL 2μg/mL的黄曲霉毒素 (AFB1)，7.5μL 2μg/mL的伏马毒素(FumonisinB1)的混合液，OTA、AFB1 和FumonisinB1的浓度分别为10ng/mL，100ng/mL和100ng/mL。其测得的数据对应图3中的Mix柱状图。
保证其他条件不变，将上述过程中7.5μL 200ng/mL的OTA改为7.5μL的水，其测得的数据对应图3中的Control柱状图。
将上述最终得到的反应液混匀，在间隙阵列电极下方放置一块磁铁，在磁场的作用下，将上述反应液滴涂5μL在电极表面，然后用半导体测定分析仪测其阻值。
检测实施例2：Fe3O4/Au纳米复合材料应用于适配体传感器，线性检测OTA
(1)合成Fe3O4/Au复合材料
(2)在Fe3O4/Au复合材料表面标记Capture Probe
(3)线性检测食品中的OTA毒素
取100μL标记有Capture Probe的Fe3O4/Au，磁吸去除上清液，重新悬浮在NEBuffer1缓冲溶液中(48μL灭菌水+15μL 10×NEBuffer 1(670mM Glycine-KOH,67mM MgCl2，PH9.5，25℃))，加入49.45μL 10μmol OTAaptamer (最终浓度为3μmol)放入90℃水浴5min后，再放入55℃水浴杂交2h，加入4.9μL 20U/μL ExnoⅠ和不同浓度的OTA，置于37℃水浴1.5h，然后加入 12μL 100mM的EDTA，反应15min使ExnoⅠ失活，磁吸去除上清液，用PBS 洗涤。加入10μL 10×NEBuffer4(500mM KAc，200mM Tris-Ac，100mM Mg (Ac)2·4H2O,2.5mM CoCl2·6H2O,PH 7.9，25℃)24μL灭菌水，2μL 20U/μL TdT 转移酶(最终浓度为0.4U/μL)，40μL 1μmol dTTP置于37℃温育2h，最后加入8μL 100mM EDTA反应15min使TdT转移酶灭活。最后用灭菌水洗涤5次，加入45μL灭菌水。
将上述最终得到的反应液混匀，在间隙阵列电极下方放置一块磁铁，在磁场的作用下，将上述反应液滴涂5μL在电极表面，然后用半导体测定分析仪测其阻值。
测得的LSV曲线随OTA浓度不同而变化的现象图，如图4所示。
电化学传感器电导率与OTA浓度的对数值的变化关系如图5所示，随着 OTA浓度的增加，Fe3O4/Au表面的DNA链越来越少，在间隙阵列电极的绝缘处很好的连接起来，形成导电桥梁，促进了电极上自由电子的传递，测得的电导率逐渐增强。OTA浓度在1ng/mL到1μg/mL的浓度范围内变化时，电极的电导率与OTA浓度的对数值之间有很好的线性关系，最低检测下限为0.85 ng/mL。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种基于功能化Fe3O4/ Au纳米复合材料的检测真菌毒素的电化学传感器，其特征在于：
所述功能化Fe3O4/ Au纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）1 mL Fe3O4磁珠用0.05% Tween PH 8.5氨水溶液磁吸洗涤5次进行活化，加入36 mL0.05% Tween PH 8.5氨水和1.4 mL 1wt% HAuCl4 ，溶液置于反应容器中，置于摇床过夜；
（2）磁吸去除上清液，用0.05% Tween PH 8.5氨水洗涤两次，然后加39 mL 0.05%Tween PH 8.5氨水和1.4 mL 20 mM NH2OH·HCl，摇床反应10 h，磁吸除去上清液，用1 mg/mL聚乙烯吡咯烷酮洗涤两次除去溶液中的金纳米颗粒，用氨水洗涤2次后，得到第一反应液；
（3）上述第一反应液磁吸后加入37 mL 0.05% Tween PH 8.5氨水，然后加入29 μL 1%HAuCl4 和425 μL 20 mM NH2 OH·HCl，用1 mg/mL 聚乙烯吡咯烷酮、0.05% Tween PH 8.5氨水分别洗涤两次，磁吸去除上清液，本步骤操作重复几次，在Au种子上分别进行1-4次覆盖，得到Fe3O4/ Au纳米复合材料，最后，将Fe3O4/ Au纳米复合材料分散在10 mL 0.5%且含1%柠檬酸三钠的聚乙烯吡咯烷酮溶液；
将捕获探针修饰在所述的Fe3O4/Au纳米复合材料表面，获得真菌毒素检测传感器，所述的捕获探针的核苷酸序列5′→3′为SH-TGTCCGATGCAAA；
具体修饰方法包括：加入定量的标记捕获探针的Fe3O4/Au纳米复合材料和OTA适配体链、适量的核酸外切酶Exno Ⅰ的缓冲溶液、适宜的灭菌水，置于90 ℃水浴5 min，然后置于55 ℃水浴杂交2 h，加入Exno Ⅰ和不同浓度的OTA，置于37 ℃水浴1.5 h，然后加入适量的乙二胺四乙酸EDTA，反应15 min，磁吸去除上清液，用PBS洗涤；加入适量的灭菌水， TdT转移酶缓冲液、TdT转移酶、 dTTP置于37 ℃温育2 h，加入8 μL 100 mM EDTA反应15 min使TdT转移酶灭活；最后用灭菌水洗涤5次，加入45 μL灭菌水；将得到的第二反应液混匀，在间隙阵列电极下方放置一块磁铁，在磁场的作用下，将上述第二反应液滴涂5μL在电极表面，制得检测真菌毒素的电化学传感器。
2.一种如权利要求1所述的检测真菌毒素的电化学传感器在线性检测食品中的OTA毒素的应用。
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