CN110632139B - 一种阴极光电化学检测玉米赤霉烯酮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Bi₄O₅I₂的均相阴极光电化学检测玉米赤霉烯酮的新方法，属于分析检测领域。用Bi₄O₅I₂修饰的ITO电极作为工作电极，利用玉米赤霉烯酮与核酸适配体的识别反应所释放的阿霉素(Dox)或道诺霉素(DM)作为信号分子，进一步结合核酸链置换反应(SDA)以实现信号放大，构建了一种无酶、非固定、非标记的均相阴极光电化学检测方法。该方法检测原理新颖、操作简便、灵敏度高、选择性好，可以成功用于玉米赤霉烯酮的检测，线性范围为1.0×10^‑5‑30nmol/L，检测限为3.03fmol/L。

Description

一种阴极光电化学检测玉米赤霉烯酮的方法

技术领域

本发明涉及一种分析检测技术,属于分析检测技术领域。

背景技术

描述与本发明最接近的现有技术的状况和存在的问题。

目前，食品安全已然成为世界范围内的重要问题[Wu,L.；Ding,F.；Yin,W.；Ma,J.；Wang,B.；Nie,A.；H,H.Y.Anal.Chem.2017,89,7578-7585]。霉菌毒素是一种有毒的二次毒素，广泛存在于食品当中[Wang,S.；Zhang,Y.J.；Pang,G.S.；Zhang,Y.W.；Guo,S.J.Anal.Chem.2017,89,1704-1709；Wu,L.；Ding,F.；Yin,W.；Ma,J.；Wang,B.；Nie,A.；H,H.Y.Anal.Chem.2017,89,7578-7585]，对人类健康存有潜在的影响，研究霉菌毒素迫在眉睫。玉米赤霉烯酮(ZEN)广泛存在于玉米，小麦等其他谷物和乳制品中[Zinedine,A.；Soriano,J.M.；Molto,J.C.；Manes,J.Food Chem.Toxicol.2007,45,1-18.]，属于镰刀菌次级代谢产物，被认作为世界范围内广泛分布的镰刀菌毒素，属于III类致癌物[Ji,X.；Yu,C.；Wen,Y.；Chen,J.；Yu,Y.；Zhang,C.；Gao,R.；Mu,X.；He,J.Biosens.Bioelectron.2019,129,139-146.]。考虑到ZEN对人类健康的影响，中国已将60微克/千克设置为小麦和玉米中的ZEN最大残留量(MRL)。因而，寻找快捷、灵敏的检测ZEN的分析方法则显得尤为必要。

常见的检测ZEN的方法有气-质联用、高效液相色谱以及液-质联用等[Jestoi,M.；Ritieni,A.；Rizzo,A.J.Agric.Food Chem.2004,52,1464-1469；Kinani,S.；Bouchonnet,S.；Bourcier,S.；Porcher,J.M.；Ait-Aissa,S.J.Chromatogr A 2008,1190,307-315；Blesa,J.；Molto,J.C.；El Akhdari,S.；Manes,J.；Zinedine,A.Food Control 2014,46,1-5；Ok,H.E.；Choi,S.W.；Kim,M.；Chun,H.S.Food Chem.2014,163,252-257.]，虽然这些方法灵敏度高且特异性强，但却存有耗时、仪器昂贵等缺点。作为一种新型的分析技术，光电化学法因可用于多种生物分子的检测而受到越来越多的关注[Zhang,L.；Shi,X.M.；Xu,Y.T.；Fan,G.C.Liang,Y.Y.；Wang,C.S.；Zhao,W.W.Anal.Chem.2019,91,6403-6407；Zhao,W.-W.；Xu,J.-J.；Chen,H.-Y.Chem.Soc.Rev.2015,44,729-741；Kang,Q.；Yang,L.；Chen,Y.；Luo,S.；Wen,L.；Cai,Q.；Yao,S.Anal.Chem.2010,82,9749-9754]。与传统检测方法相比较，光电化学法具有较低的背景信号和较高的灵敏度等优势[Dai,H.；Zhang,S.；Hong,Z.S.；Lin,Y.Y.Anal.Chem.2016,88,9532-9538]。与研究广泛的阳极光电化学生物分析相比较而言，阴极光电化学生物分析因其对生物样品中的还原性物质具有极高的抗干扰能力，因而在未来的发展过程中具有更大的发展前景[Gu,T.T.；Gu,M.M.；Liu,Y.L.；Dong,Y.M.；Zhu,L.B.；Li,Z.J.；Wang,G.L.；Zhao,W.W.Chem.Commun.2019,55,10072-10075]。阴极光电化学应用于ZEN检测的研究鲜有报道。对于阴极光电化学传感器来说，探索新型的光活性材料以及信号分子则显得尤为迫切。Bi₄O₅I₂属于碘氧化铋类化合物，而碘氧化铋类化合物属于主族V-VI-VII三元半导体层状结构，在此结构中，带正电荷的Bi_xO_y ⁿ⁺主体层和带负电荷的碘离子层交替形成层状结构，促进了光生电子-空穴对的分离，最终使得光生载流子的利用率得到大大的提高[Liu,Q.C.；Ma,D.K.；Hu,Y.Y.；Zeng,Y.W.；Huang,S.M.ACSAppl.Mater.Interfaces 2013,522,11927-11934]。截止到目前为止，将Bi₄O₅I₂应用于光电化学生物传感器的研究尚未发现。据相关文献报道，阿霉素(Dox)和道诺霉素(DM)经常作为电化学和荧光检测方法的信号分子[Gill.R.；Patolsky,F.；Katz,E.；Willner,I.Angew.Chem.Int.Ed.2005,44:4554-4557；Raichlin,S.；Sharon,E.；Freeman,R.；Tzfati,Y.；Willner,I.Biosens.Bioelectron.2011,26:4681-4689；Liu.T.；Barton.J.K.J.Am.Chem.Soc.2005,127:10160-10161]，但是未发现将Dox或DM作为信号分子用于阴极光电化学生物分析的报道。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题，要达到的目标。

目前，阴极光电化学应用于玉米赤霉烯酮检测的研究鲜有文献报道。该新型阴极光电化学检测方法的优势在于很好地解决了以下两点问题：(1)无需使用价格较为昂贵的天然酶进行信号放大，也无需对生物分子进行标记，成本更低；(2)不需要将生物分子固定在电极表面，生物反应在均相溶液中进行，不仅避免了繁琐的生物分子固定步骤，而且避免了固定的生物分子的活性降低现象。

由于Bi₄O₅I₂的导带电位比Dox或DM的还原电位更负，因而光源激发Bi₄O₅I₂所产生的电子容易转移到信号分子Dox或DM上，抑制电子-空穴对的复合，增强了Bi₄O₅I₂的阴极光电流。本方法探索利用Bi₄O₅I₂作为光电极，以目标结合反应所释放的Dox或DM作为信号分子，将玉米赤霉烯酮与适配体的识别反应和链置换反应(SDA)相结合，构建了一种基于新原理的新型阴极光电化学适配体传感体系，实现了对玉米赤霉烯酮的简便、高效、超灵敏检测。

技术方案：本发明完整的技术手段和方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：

a、Bi₄O₅I₂片状半导体材料的制备：首先，将0.8mmol的硝酸铋溶解于40mL的丙三醇中，搅拌至充分溶解；然后与2mL 0.8mmol的KI溶液混合后转移至反应釜中，一定的温度下反应一段时间；取出，离心洗涤并烘干备用；

b、Bi₄O₅I₂修饰ITO电极的制备：将所制得的Bi₄O₅I₂固体粉末配成1mg/mL的溶液，滴到经过预处理的ITO导电玻璃表面，经自然晾干后，可得到Bi₄O₅I₂修饰的ITO电极；

c、玉米赤霉烯酮的测定：将不同浓度的目标物玉米赤霉烯酮以及30μL 20μmol/L玉米赤霉烯酮适配体探针P1与含有MgCl₂，pH 7.4的10mmol/L tris-HCl缓冲溶液混合；然后加入30μL 20μmol/L的辅助探针P2，孵育1.5h；与此同时，将15μL45μmol/L辅助探针HP3和15μL 135μmol/L的信号分子与160μL含有MgCl₂，pH 7.4的10mmol/Ltris-HCl缓冲溶液混合，室温下孵育0.5h；接下来，将上述两种反应溶液混合，继续反应1h；之后，将30μL 22.5μmol/L辅助探针HP4加入到上述混合液，进一步孵育2h；最后，用Bi₄O₅I₂修饰的ITO电极作为工作电极，Ag/AgCl电极以及铂丝分别作为参比电极和对电极，在含有MgCl₂，pH＝7.4的0.1mol/LTris-HCl缓冲溶液中，电压相对于Ag/AgCl参比电极为-0.1V条件下实现光电流的测定。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

所述的合成Bi₄O₅I₂阴极片状半导体材料的反应温度为100-150℃，反应时间为10-16h；所述的通过光电化学法所测的目标物为玉米赤霉烯酮，用到的核酸探针序列为：适配体探针P1：3′-AAT TAC TTC ATC TAT CTA TGG TAC ATT ACT ATC TGT AAT GTG ATA TGTTTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTA CTT GA-5′；辅助探针P2：3′-TCAAGTAAAATCATT TGTAAT CTTAGATGAAGTAAT T-5′；辅助探针HP3：3′-CGACGT GCC GTCAAC TTC ATCTAAGAT TACAAATGATTT TAC TTGATC CAT TCG GCACGT CG-5′；辅助探针HP4：3′-TAG ACTGAA TGG ATC AAG TAA AAT CAT TTG TAA TCT TAG ATG AAG TTG ACG TCTA-5′；所述的玉米赤霉烯酮测定时所用到的信号分子为阿霉素或道诺霉素。

有益效果：本发明所带来的好处，所达到的指标。

目前报道的以阿霉素和道诺霉素为信号分子的生物检测体系，大多采用电化学和荧光检测方法来进行检测，不仅灵敏度低且仪器设备昂贵。该发明探索将阿霉素和道诺霉素为阴极光电化学检测的信号分子，与链置换反应(作为信号放大反应)相结合，构建了无酶、非固定、非标记的均相检测，该方法简便、低成本、快捷地实现了对玉米赤霉烯酮的超灵敏检测。

附图说明

说明各附图所表示的含义

图1(A)为发明制备的Bi₄O₅I₂阴极片状半导体材料的线性扫描图来确定其导带；图1(B)为Dox的循环伏安图。

图2为发明制备的Bi₄O₅I₂修饰的ITO电极在存在有不同浓度Dox的条件下所产生的光电流图，曲线a→f依次表示Dox的浓度为1.0×10^-8,5.0×10^-8,1.0×10^-7,1.0×10^-6,1.0×10^-5,1.0×10^-4mol/L。

图3(A)为不同浓度的玉米赤霉烯酮所产生的光电流图，曲线a→i依次表示ZEN的浓度为0,1.0×10^-5,1.0×10^-4,1.0×10^-3,1.0×10^-2,0.1,1,10和30nmol/L；图3(B)为ZEN的浓度与I/I₀之间的关系图。

图4为相同的测定条件下，干扰目标物对Bi₄O₅I₂修饰的ITO电极所产生的光电流的影响。

具体实施方式

根据权利要求所包含的内容举例说明

实施例1：

a、Bi₄O₅I₂片状半导体材料的制备：首先，将0.8mmol的硝酸铋溶解于40mL的丙三醇中，搅拌至充分溶解；然后与2mL 0.8mmol的KI溶液混合后转移至反应釜中，在120℃的条件下反应13h；取出，离心洗涤并烘干备用；

b、Bi₄O₅I₂修饰ITO电极的制备：将所制得的Bi₄O₅I₂固体粉末配成1mg/mL的溶液，滴到经过预处理的ITO导电玻璃表面，经自然晾干后，可得到Bi₄O₅I₂修饰的ITO电极；

c、玉米赤霉烯酮的测定：将不同浓度的目标物玉米赤霉烯酮以及30μL 20μmol/L玉米赤霉烯酮适配体探针P1与含有MgCl₂，pH 7.4的10mmol/L tris-HCl缓冲溶液混合；然后加入30μL 20μmol/L的辅助探针P2，孵育1.5h；与此同时，将15μL45μmol/L辅助探针HP3和15μL 135μmol/L的阿霉素与160μL含有MgCl₂，pH 7.4的10mmol/Ltris-HCl缓冲溶液混合，室温下孵育0.5h；接下来，将上述两种反应溶液混合，继续反应1h；之后，将30μL 22.5μmol/L辅助探针HP4加入到上述混合液，进一步孵育2h；最后，用Bi₄O₅I₂修饰的ITO电极作为工作电极，Ag/AgCl电极以及铂丝分别作为参比电极和对电极，在含有MgCl₂，pH＝7.4的0.1mol/LTris-HCl缓冲溶液中，电压相对于Ag/AgCl参比电极为-0.1V条件下实现光电流的测定。

实施例2：

a、Bi₄O₅I₂片状半导体材料的制备：首先，将0.8mmol的硝酸铋溶解于40mL的丙三醇中，搅拌至充分溶解；然后与2mL 0.8mmol的KI溶液混合后转移至反应釜中，在130℃的条件下反应12h；取出，离心洗涤并烘干备用；

b、Bi₄O₅I₂修饰ITO电极的制备：将所制得的Bi₄O₅I₂固体粉末配成1mg/mL的溶液，滴到经过预处理的ITO导电玻璃表面，经自然晾干后，可得到Bi₄O₅I₂修饰的ITO电极；

c、玉米赤霉烯酮的测定：将不同浓度的目标物玉米赤霉烯酮以及30μL 20μmol/L玉米赤霉烯酮适配体探针P1与含有MgCl₂，pH 7.4的10mmol/Ltris-HCl缓冲溶液混合；然后加入30μL 20μmol/L的辅助探针P2，孵育1.5h；与此同时，将15μL45μmol/L辅助探针HP3和15μL 135μmol/L的道诺霉素与160μL含有MgCl₂，pH 7.4的10mmol/Ltris-HCl缓冲溶液混合，室温下孵育0.5h；接下来，将上述两种反应溶液混合，继续反应1h；之后，将30μL22.5μmol/L辅助探针HP4加入到上述混合液，进一步孵育2h；最后，用Bi₄O₅I₂修饰的ITO电极作为工作电极，Ag/AgCl电极以及铂丝分别作为参比电极和对电极，在含有MgCl₂，pH＝7.4的0.1mol/LTris-HCl缓冲溶液中，电压相对于Ag/AgCl参比电极为-0.1V条件下实现光电流的测定。

Claims (3)

1.一种阴极光电化学检测玉米赤霉烯酮的方法，其特征在于：

a、Bi₄O₅I₂片状半导体材料的制备：首先，将0.8 mmol的硝酸铋溶解于40 mL的丙三醇中，搅拌至充分溶解；然后与2 mL 0.8 mmol的KI溶液混合后转移至反应釜中，一定的温度下反应一段时间；取出，离心洗涤并烘干备用；

b、Bi₄O₅I₂修饰ITO电极的制备：将所制得的Bi₄O₅I₂固体粉末配成1 mg/mL的溶液，滴到经过预处理的ITO导电玻璃表面，经自然晾干后，可得到Bi₄O₅I₂修饰的ITO电极；

c、玉米赤霉烯酮的测定：将不同浓度的目标物玉米赤霉烯酮以及30 μL 20 μmol/L玉米赤霉烯酮适配体探针P1与含有MgCl₂，pH 7.4的10 mmol/L Tris-HCl缓冲溶液混合；然后加入30 μL 20 μmol/L的辅助探针P2，孵育1.5 h；与此同时，将15 μL 45 μmol/L 辅助探针HP3和15 μL 135 μmol/L的阿霉素或道诺霉素作为信号分子与160 μL含有MgCl₂，pH 7.4的10 mmol/L Tris-HCl缓冲溶液混合，室温下孵育0.5 h；接下来，将两种反应溶液混合，继续反应1 h；之后，将30 μL 22.5 μmol/L 辅助探针HP4加入到混合液，进一步孵育2 h；最后，用Bi₄O₅I₂修饰的ITO电极作为工作电极，Ag/AgCl电极以及铂丝分别作为参比电极和对电极，在含有MgCl₂，pH = 7.4的0.1 mol/L Tris−HCl缓冲溶液中，电压相对于Ag/AgCl参比电极为-0.1 V条件下实现光电流的测定。

2.根据权利要求1所述的一种阴极光电化学检测玉米赤霉烯酮的方法，其特征在于合成Bi₄O₅I₂片状半导体材料时的反应温度为100−150℃，反应时间为10−16 h。

3. 根据权利要求1所述的一种阴极光电化学检测玉米赤霉烯酮的方法，其特征在于该方法检测的目标物是玉米赤霉烯酮，用到的核酸探针序列为：适配体探针P1：3′-AAT TACTGT TGG GCA CGT GTT GTC TCT CTG TGT CTC GTG CCC TTC GCT AGG CCC ACT TGA-5′；辅助探针P2：3′-TCA AGT GGG ATC ATT TGT AAT CTT ACC CAA CAG TAA TT-5′；辅助探针HP3：3′-CGA CGT GCC GTC AAC TGT TGG GTA AGA TTA CAA ATG ATC CCA CTT GAT CCATTC GGC ACG TCG-5′；辅助探针HP4：3′-TAG ACT GAA TGG ATC AAG TGG GAT CAT TTG TAATCT TAC CCA ACA GTT GAC GTC TA-5′。

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