CN111307907A - 检测黄曲霉毒素的可再生电化学传感器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可快速灵敏检测黄曲霉毒素的核酸适配体电化学传感器和检测方法，其中，末端带有电化学活性分子如亚甲基蓝标记的核酸适配体的另一末端被固定到金电极表面。在优化实验条件下，该传感器可通过测定亚甲基蓝的电化学信号变化实现对黄曲霉毒素的检测，信号随待测物浓度增加而升高。这种电化学传感器无需使用额外试剂、响应快速、具有高灵敏度、易再生并重复使用、稳定性高。利用制备的电化学传感器可以实现检测8pM黄曲霉毒素B1，并可以用于复杂样品基质中黄曲霉毒素B1的检测。本发明的传感器也可用于检测其他类型的黄曲霉毒素分子。

Description

检测黄曲霉毒素的可再生电化学传感器和方法

技术领域

本发明涉及一种快速灵敏检测黄曲霉毒素的可再生电化学传感器和方法，属食品安全分析领域。

背景技术

黄曲霉毒素是由黄曲霉和寄生曲霉产生的有毒次生代谢产物，在自然界中分布广泛，可污染很多食物、谷物、饲料和农产品等，如花生、玉米、奶制品等。动物和人食用被黄曲霉毒素污染的食物和产品后，黄曲霉毒素进入体内对健康产生很大的危害，可导致DNA损伤等，具有致癌性和免疫毒性等。黄曲霉毒素已经被世界卫生组织的癌症机构列为I类致癌物质。黄曲霉毒素包括黄曲霉毒素B1(Aflatoxin B1，AFB1)、黄曲霉毒素B2(Aflatoxin B2，AFB2)、黄曲霉毒素G1(Aflatoxin G1，AFG1)、黄曲霉毒素G2(Aflatoxin G2，AFG2)、黄曲霉毒素M1(Aflatoxin M1，AFM1)、黄曲霉毒素M2(Aflatoxin M2，AFM2)等，世界各国都对黄曲霉毒素B1及其他黄曲霉毒素在食品和饲料等中的含量提出了严格的限量标准。

快速、灵敏、准确检测黄曲霉毒素对减少黄曲霉毒素的健康危害和保证产品质量具有重要意义，在食品安全、产品筛查抽检、环境分析等很多领域具有很广的需求。常用的检测方法包括色谱分析、质谱分析和免疫分析等。电化学传感方法相对来说成本低、灵敏度高、容易操作，适合于现场快速灵敏检测目标物。免疫电化学传感分析方法，利用了免疫抗体识别黄曲霉毒素，可用于检测黄曲霉毒素，但免疫抗体面临一些缺点，如制备较为复杂、制备成本高、稳定性差、抗体不容易进行标记和修饰等。

目前，基于核酸适配体(Aptamer)的检测传感方法引起关注，显示出诸多优势，例如核酸适配体容易合成制备、纯度高、稳定性好、核酸适配体容易引入功能基团用于标记或固定化等。基于核酸适配体的分析方法，可克服色谱法、质谱法、基于免疫抗体的分析方法的一些局限。适配体电化学传感器结合了核酸适配体和电化学传感检测两者的优势。然而，目前针对黄曲霉毒素适配体电化学传感方法在快速灵敏分析方面仍然面临不少挑战和困难，这些方法往往需要较复杂的制备步骤，需要使用额外的试剂，检测耗时长，传感器不容易再生，不能重复使用等。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于核酸适配体、可快速灵敏检测黄曲霉毒素的可再生电化学传感器和方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种检测黄曲霉毒素的可再生电化学传感器，包括：利用黄曲霉毒素核酸适配体修饰的电极，其中所述黄曲霉毒素核酸适配体的一端带有电化学标记物，另一端由硫醇分子修饰并固定到电极表面，所述电极为金电极或具有金涂层或纳米金材料修饰的电极。

本发明的这种核酸适配体电化学传感器的基本原理如下：黄曲霉毒素分子不存在时，适配体不能很好形成稳定二级结构，电化学标记物(例如亚甲基蓝(methylene blue，缩写MB))远离电极表面。当黄曲霉毒素分子存在时，黄曲霉毒素分子与适配体结合，适配体形成稳定结构，使电化学标记物分子靠近电极表面，导致电化学标记物电流增加。根据电流信号的变化可以实现对黄曲霉毒素B1的检测。我们优选出了可产生明显电化学响应的适配体序列设计，和关键实验条件(如温育温度)等。采用最优的序列设计和实验条件，这种适配体电化学传感器可以实现快速高灵敏检测黄曲霉毒素如黄曲霉毒素B1等，而且这种适配体电化学传感器很容易再生，可重复使用，响应迅速，具有很好的稳定性。

在一些实施方案中，针对黄曲霉毒素的传感检测，所述核酸适配体为可结合AFB1、AFB2、AFG1、AFG2、AFM1、AFM2的核酸适配体，其中5’端修饰硫醇分子用于将适配体固定到金电极表面。亚甲基蓝修饰到序列3’端。在另一些实施方案中，也可3’端修饰硫醇分子用于将适配体固定到金电极表面，亚甲基蓝修饰到序列5’端。

在一些实施方案中，所述核酸适配体为特异性结合黄曲霉毒素的DNA序列，优选地，所述核酸适配体包括如下DNA序列或由其组成：

SEQ ID NO：1：5’-GTGTTGTCTCTCTGTGTCTC-3’

SEQ ID NO：2：5’-CGTGTTGTCTCTCTGTGTCTCG-3’

SEQ ID NO：3：5’-ACGTGTTGTCTCTCTGTGTCTCGT-3’

SEQ ID NO：4：5’-CACGTGTTGTCTCTCTGTGTCTCGTG-3’

SEQ ID NO：5：5’-GCACGTGTTGTCTCTCTGTGTCTCGTGC-3’

SEQ ID NO：6：5’-GGCACGTGTTGTCTCTCTGTGTCTCGTGCC-3’

也可采用对上述序列进行适当改造(如替换碱基或延长序列)的其他类似核酸序列。

在一些实施方案中，所述电化学标记物为亚甲基蓝或二茂铁等。

一种所述可再生电化学传感器的制备方法，包括：对所述电极进行表面处理后将所述黄曲霉毒素核酸适配体固定到所述电极表面。

在一些实施方案中，所述表面处理包括将所述电极打磨后使用超纯水超声清洗，再进行电化学清洗或化学清洗。

在一些实施方案中，所述制备方法包括将表面处理后的电极浸没在含有所述核酸适配体的缓冲溶液(例如PBS溶液)中，室温静置0.5-2小时，利用超纯水清洗，然后把所述电极浸没在含有巯基己醇(MCH)的缓冲溶液(例如PBS溶液)中，室温静置1-3小时，利用超纯水清洗制得电化学传感器。

一种检测黄曲霉毒素的装置，包括所述可再生电化学传感器。

一种利用所述可再生电化学传感器检测黄曲霉毒素的方法，包括将所述电极在含有待测样品的反应缓冲溶液中温育，然后采用电化学法进行测定。

在一些实施方案中，所述反应缓冲溶液为含有Mg²⁺(例如MgCl₂，其浓度为1-100mM，优选为10-30mM)的Tris-HCl缓冲溶液、HEPES缓冲溶液或磷酸盐缓冲溶液，pH为7-8(例如7.2、7.5或7.8)。

在一些实施方案中，所述电化学法选自方波伏安法、差分脉冲伏安法、交流伏安法或循环伏安法。

在一些实施方案中，所述电化学法选自方波伏安法，在所述方波伏安法中，电压范围为0-0.5V，采样间隔1mV，幅度25mV，频率10-500赫兹，优选的频率是200-300赫兹。

在一些实施方案中，所述检测温度范围为2-40℃(例如5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃或35℃)，优选温度是4-10℃。

在一些实施方案中，所述方法还包括检测完成后利用去离子水清洗所述可再生电化学传感器进行再生以重复利用。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点和效果：

本发明通过合理设计适配体序列，优化关键实验条件温度等，采用末端标记了电化学标记物(例如亚甲基蓝)的核酸适配体构建了核酸适配体电化学传感器检测黄曲霉毒素。这种适配体电化学传感器可对黄曲霉毒素如AFB1等产生快速、灵敏电流信号变化。这种传感器具有操作简单、灵敏度高、检测迅速、容易再生、可重复使用、稳定性高、成本低等优点。在优化的序列设计和实验条件下，所制备的传感器针对AFB1的检测限达到了8pM，而且该传感器可以用于多种复杂样品基质中AFB1的灵敏检测。可根据检测灵敏度和检测范围的需求，选用合适的序列设计和实验条件(如温育温度等)来实现对目标物的检测。所构建的传感器也可以实现对其他类型的黄曲霉毒素分子的检测。本发明的电化学传感器很容易再生，传感器适配体与AFB1结合后可以通过去离子水冲洗这种简单的操作进行快速再生，再生后的适配体传感器仍然可以AFB1等检测目标分子结合并产生明显的信号变化。传感器可反复多次再生，检测性能不受影响，传感器可重复使用。

附图说明

图1用于比较不同适配体序列设计对应的电化学传感器在4℃和25℃下检测AFB1的信号响应差别；

图2为采用SEQ ID NO：2对应的电化学传感器在4℃度和25℃下检测AFB1的结果；

图3为采用SEQ ID NO：3对应的电化学传感器在4℃度和25℃下检测AFB1的结果；

图4为采用SEQ ID NO：4对应的电化学传感器在4℃度和25℃下检测AFB1的结果；

图5用于说明本发明实施例中电化学传感器的选择性；

图6为采用SEQ ID NO：2对应的电化学传感器检测稀释啤酒中添加的AFB1的结果；

图7为采用SEQ ID NO：2对应的电化学传感器检测不同类型黄曲霉毒素的信号响应；

图8为采用SEQ ID NO：2对应的电化学传感器检测检测AFB2的结果。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的实验材料和试剂，如无特殊说明，均为自常规试剂公司购买得到的。

反应缓冲溶液：磷酸盐缓冲溶液(PBS溶液：137mM NaCl，2.7mM KCl，10mMNa₂HPO4，1.75mM KH₂PO₄，pH 7.5)+20mM MgCl₂

所用DNA序列由生工生物工程(上海)股份有限公司合成制备纯化。

金电极购自上海辰华公司，直径2毫米。

电化学检测：采用三电极系统，工作电极为适配体修饰的金电极，参比电极为Ag/AgCl(3M KCl)，对电极为铂丝。在电化学检测中，将序列末端带有MB标记的核酸适配体修饰的金电极在含有不同浓度AFB1的反应缓冲溶液中特定温度下(例如4℃)温育3分钟后，采用方波伏安法进行测定，记录MB的峰电流。

实施例1：核酸适配体电化学传感器的制备

将3’末端带有MB标记且5’末端带有硫醇修饰的核酸适配体固定到金电极表面作为电化学传感器。具体步骤如下：金电极表面采用粒径为0.05μm的氧化铝粉打磨，然后使用超纯水超声清洗电极。采用三电极体系，在0.5M H₂SO₄溶液中，-0.35V-1.55V范围内进行反复循环伏安扫描，对金电极表面进行电化学清洗。表面处理干净的金电极浸没在50μL含有所述核酸适配体(10nM-1000nM)PBS溶液(137mM NaCl，2.7mM KCl，10mM Na₂HPO₄，1.75mMKH₂PO₄，pH 7.5)中，室温静置1小时，然后超纯水冲洗。把金电极浸没在200μL含2mM MCH的PBS溶液中，室温静置2小时，然后采用超纯水清洗，制得电化学传感器。

实施例2：不同适配体序列设计对应的电化学传感器对AFB1的信号响应比较

利用实施例1中的方法，准备了电化学传感器，其中修饰核酸适配体到金电极时，其浓度为100nM。本实施例考察了几种具有不同长度的适配体序列SEQ ID NO：1-6，利用方波伏安法考察了所对应的电化学传感器在不含AFB1的空白样品和含有500nM AFB1样品溶液中MB的峰电流信号变化情况。将修饰电极在含有20mM MgCl₂的PBS溶液中温育3分钟，然后进行方波伏安检测，其中频率为250赫兹。分别在4℃和25℃两种条件下温育进行检测。图1中的A显示了4℃条件下进行检测的结果，图1中的B显示了25℃条件下进行检测的结果。在4℃检测时，所采用的适配体对应的传感器，在AFB1存在时，MB峰电流信号增加，其中SEQ IDNO：2对应的峰电流信号变化最大。在25℃检测时，所采用的适配体对应的传感器，在AFB1存在时，MB峰电流信号电有变化，SEQ ID NO：3和SEQ ID NO：4对应的传感器信号增加相对大一些，与4℃下检测的结果相比，传感器对AFB1的信号响应变化幅度变小。结果表明，低温4℃条件下检测，传感器可产生更灵敏的信号响应。

实施例3：核酸适配体SEQ ID NO：2对应的电化学传感器检测AFB1

利用实施例1中的方法制备SEQ ID NO：2修饰的金电极，然后浸入到含有不同浓度AFB1的反应缓冲溶液中，温育3分钟后，采用方波伏安法进行测定，其中频率为300赫兹。图2中的A给出了4℃下几个典型浓度AFB1对应的方波伏安曲线，检测曲线由低到高对应的AFB1浓度分别为0、8pM、1nM、5nM、25nM、125nM、625nM、3000nM。图2中的B给出了AFB1浓度与方波伏安检测中MB对应的-0.25V峰电流的关系，针对AFB1的检测，根据样品溶液峰电流与空白样品溶液峰电流差值是空白溶液电流信号偏差的3倍以上，确定方法检测限为8pMAFB1。图2中的C给出了在25℃下进行检测时，AFB1浓度与方波伏安检测中MB对应的峰电流的关系，对应检测限为5nM。

实施例4：核酸适配体SEQ ID NO：3对应的电化学传感器检测AFB1

利用实施例1中的方法制备SEQ ID NO：3修饰的金电极，然后浸入到含有不同浓度AFB1的反应缓冲溶液中，温育3分钟后，采用方波伏安法进行测定，其中频率为300赫兹。图3中的A给出了4℃下AFB1浓度与方波伏安检测中MB对应的峰电流的关系，针对AFB1的检测，根据样品溶液峰电流与空白样品溶液峰电流差值是空白溶液电流信号偏差的3倍以上，确定方法检测限为8pM AFB1。图3中的B给出了25℃下AFB1浓度与方波伏安检测中MB对应的峰电流的关系，检测限为5nMAFB1。

实施例5：核酸适配体SEQ ID NO：4对应的电化学传感器检测AFB1

利用实施例1中的方法制备SEQ ID NO：4修饰的金电极，然后浸入到含有不同浓度AFB1的反应缓冲溶液中，温育3分钟后，采用方波伏安法进行测定，其中频率为300赫兹。图4中的A给出了4℃下AFB1浓度与方波伏安检测中MB对应的峰电流的关系，针对AFB1的检测，根据样品溶液峰电流与空白样品溶液峰电流差值是空白溶液电流信号偏差的3倍以上，确定方法检测限为200pM AFB1。图4中的B给出了25℃下AFB1浓度与方波伏安检测中MB对应的峰电流的关系，检测限为5nM AFB1。

实施例6方法的选择性

本实施例考察了所述电化学传感器的选择性。利用实施例3中对应的SEQ ID NO：2电化学传感器，采用实施例3中相同的方法，在4℃下检测其他非黄曲霉毒素的真菌毒素分子，如赭曲霉毒素A(OTA)，赭曲霉毒素B(OTB)，伏马毒素B1(FB1)，伏马毒素B2(FB2)，玉米赤霉烯酮(ZEN)，浓度均为500nM。与空白溶液样品相比，这些被检测的分子并不能使对应的电化学传感器产生明显的峰电流信号变化，而作为对照黄曲霉毒素B1(AFB1，浓度都是500nM)存在时与空白样品峰电流信号相比，峰电流信号明显增加。检测结果如图5所示，纵坐标显示了被测样品存在时产生的峰电流信号与空白溶液样品峰电流信号的差值。结果说明方法具有很好的选择性，考察的赭曲霉毒素A(OTA)，赭曲霉毒素B(OTB)，伏马毒素B1(FB1)，伏马毒素B2(FB2)，玉米赤霉烯酮(ZEN)不产生干扰。

实施例7：利用核酸适配体电化学传感器检测稀释啤酒中的AFB1

利用实施例3中SEQ ID NO：2对应的电化学传感器检测稀释的葡萄酒中的AFB1。啤酒采用反应缓冲溶液稀释10倍。电化学检测中，将适配体修饰的金电极浸入到含有不同浓度AFB1的10倍稀释的啤酒中，采用实施例3中相同方法进行检测。实验结果如图6所示，随着AFB1浓度的增加，测得的峰电流信号逐渐升高。针对AFB1的检测，方法检测限为8pM AFB1。图中检测曲线对应浓度对应最高浓度为3μM。

实施例8：核酸适配体SEQ ID NO：2对应的电化学传感器对不同黄曲霉毒素类似物的信号响应

利用实施例3中SEQ ID NO：2对应的电化学传感器，使用相同方法和条件，在4℃下检测不同黄曲霉毒素类似物AFB1、AFB2、AFM1、AFM2、AFG1、AFG2。如图7所示，传感器对这些黄曲霉毒素分子都可产生信号增加响应，信号增加幅度与检测分子的种类有关，表明传感器可以用于分别检测这些不同类型的黄曲霉毒素分子。这是由于所用适配体可以与这些黄曲霉毒素分子结合，只是亲和力有差别。

实施例9：核酸适配体SEQ ID NO：2对应的电化学传感器检测AFB2

利用实施例3中SEQ ID NO：2对应的电化学传感器，使用相同方法和条件，在4℃下检测不同浓度的AFB2。如图8所示，随着AFB1浓度的增加，测得的峰电流信号逐渐升高，表明传感器也可用于对AFB2的检测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种检测黄曲霉毒素的可再生电化学传感器，其特征在于，包括：利用黄曲霉毒素核酸适配体修饰的电极，其中所述黄曲霉毒素核酸适配体的一端带有电化学标记物，另一端由硫醇分子修饰并固定到电极表面，所述电极为金电极或具有金涂层或纳米金材料修饰的电极，其中，当黄曲霉毒素分子未与所述黄曲霉毒素核酸适配体结合时，所述电化学标记物远离电极表面，当黄曲霉毒素分子与所述黄曲霉毒素核酸适配体结合时，所述电化学标记物分子靠近电极表面。

2.根据权利要求1所述的检测黄曲霉毒素的可再生电化学传感器，其特征在于，所述黄曲霉毒素核酸适配体为特异性结合黄曲霉毒素的DNA序列。

3.根据权利要求2所述的检测黄曲霉毒素的可再生电化学传感器，其特征在于，所述DNA序列包括SEQ ID NO：1-6中的任一种或由其组成。

4.根据权利要求1所述的检测黄曲霉毒素的可再生电化学传感器，其特征在于，所述电化学标记物为业甲基蓝或二茂铁。

5.根据权利要求1所述的检测黄曲霉毒素的可再生电化学传感器，其特征在于，所述黄曲霉毒素选自黄曲霉毒素B1(AflatoxinB1，AFB1)、黄曲霉毒素B2(Aflatoxin B2，AFB2)、黄曲霉毒素G1(Aflatoxin G1，AFG1)、黄曲霉毒素G2(Aflatoxin G2，AFG2)、黄曲霉毒素M1(Aflatoxin M1，AFM1)或黄曲霉毒素M2(Aflatoxin M2，AFM2)。

6.一种权利要求1-5任一项所述可再生电化学传感器的制备方法，包括：对所述电极进行表面处理后将所述黄曲霉毒素核酸适配体固定到所述电极表面，优选地，所述表面处理包括将所述电极打磨后使用超纯水超声清洗，再进行电化学清洗或化学清洗；更优选地，所述制备方法包括将表面处理后的电极浸没在含有所述核酸适配体的缓冲溶液中，室温静置0.5-2小时，利用超纯水清洗，然后把所述电极浸没在含有巯基己醇(MCH)的缓冲溶液中，室温静置1-3小时，利用超纯水清洗制得电化学传感器。

7.一种检测黄曲霉毒素的装置，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述可再生电化学传感器。

8.一种利用权利要求1-6任一项所述可再生电化学传感器检测黄曲霉毒素的方法，包括将所述电极在含有待测样品的反应缓冲溶液中温育，然后采用电化学法进行测定；温育温度为2-40℃(例如5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃或35℃)，优选为4—10℃；优选地，所述反应缓冲溶液为含有Mg²⁺(例如MgCl₂，其浓度为1-100mM，优选为10-30mM)的Tris-HCl缓冲溶液、HEPES缓冲溶液或磷酸盐缓冲溶液，pH为7-8(例如7.2、7.5或7.8)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电化学法为方波伏安法、差分脉冲伏安法、交流伏安法或循环伏安法，优选地，在所述方波伏安法中，电压范围为0-0.5V，采样间隔1mV，幅度25mV，频率10-500赫兹，优选的频率为200-300赫兹。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括检测完成后利用去离子水清洗所述可再生电化学传感器进行再生以重复利用。

Images