CN111733209B - 一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法和应用 - Google Patents

一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器及其制备方法和应用，用于神经毒性农药残留的快速灵敏检测。氯化乙酰胆碱(ACh)可被乙酰胆碱酯酶(AChE)催化生成胆碱，再被胆碱氧化酶(CHO)水解成甜菜碱和过氧化氢(H2O2)；啶虫脒会使AChE失活，从而导致产生的H2O2减少；其中ACh、AChE和CHO为反应底物，引入顺磁离子Fe2+；H2O2会引起Fe2+/Fe3+的转化，从而影响周围水分子中氢质子的横向弛豫时间(T2)，并作为啶虫脒检测的信号读出。检出限为2.66ng·mL‑1(S/N＝3，n＝3)。该方法无需洗涤可一步检测啶虫脒，是复杂样品中农药残留检测的有效分析工具。

Description

一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法和应用
技术领域
本发明属于生物传感器领域，具体涉及一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法和应用。
背景技术
自农药发明以来，有机氯、有机磷、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯等农药，迅速应用于各个领域。随着新烟碱类化合物的出现，农药的开发进入了一个新的阶段。由于其独特的作用机制，与传统农药没有交叉抗药性，新烟碱类农药得到了广泛使用。然而，人们发现新烟碱类农药对生物体构成了巨大的威胁，具有诱变性、致癌性和致畸性等潜在风险。因此，需要对这些农药进行特异和灵敏的检测，以启动快速措施。目前，用于检测农药残留的分析方法主要有三种，包括液相色谱、气相色谱和质谱/液相色谱，酶联免疫吸附试验(ELISA)和侧向流动免疫分析(LFIA)等免疫分析方法和分光光度法。现有的农药残留检测方法要么复杂、耗时，要么灵敏度不高，不能满足快速应用中低水平检测的要求，尤其是农药残留的现场分析。因此，建立快速、灵敏的农药残留检测方法具有重要意义。
由于磁弛豫传感具有一步检测、无需多次洗涤和抗干扰能力强等优点，因此在食品样品分析科学中有着广阔的应用前景。磁性传感器的信号读出主要来自磁性纳米颗粒（MNPs）和顺磁离子。前一种信号取决于MNPs的状态变化(分散/聚集)，后一种信号来自未配对的电子。考虑到MNPs的不稳定性，顺磁离子在水溶液中表现稳定且呈均一状态，可以提供Fe3+和Fe2+等顺磁离子的横向弛豫时间（T2）作为开发无MNPs的磁分析的替代方法。在电子结构上，Fe3+为半填充d轨道，电子自旋弛豫（ESR）约为Fe2+的30倍。结果表明，Fe3+/Fe2+的水中氢质子中的T2值不同，在相同浓度下，Fe2+的T2值大于Fe3+的T2值，说明Fe3+对周围水质子的影响(ΔT2)大于Fe2+对周围水质子的影响。因此，利用Fe2+/Fe3+相互转换来构建磁敏传感器是很有吸引力的。
鉴于Fe2+和Fe3+之间的转换可以在氧化还原反应中很容易实现，而 H2O2与所有酶相关，是一种流行的生化标记。另一方面，新烟碱类杀虫剂，如啶虫脒，可通过抑制乙酰胆碱酯酶(AChE)的活性来损害昆虫的神经系统，这也称为酶抑制。在酶反应中，在氯化乙酰胆碱(ACh)、乙酰胆碱酯酶(AChE)和胆碱氧化酶(CHO)的存在下，可产生H2O2，可引起Fe2+到Fe3+的转化，呈现T2信号的变化。
发明内容
为了克服磁性纳米颗粒（MNPs）读出的信号不稳定的问题，本发明提供一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法，用顺磁离子Fe3+和Fe2+的横向弛豫时间（T2）作为开发无MNPs的磁分析的替代方法，更加稳定可靠。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法，
①预处理：AChE用Tris-HCl缓冲液溶解稀释，CHO 用PBS缓冲液溶解稀释，ACh和神经毒性农药溶液用水配制，在测试之前，AChE和CHO应先活化；
②标准曲线的绘制：将一系列不同浓度的神经毒性农药溶液，先与适量的预处理过的AChE孵育一段时间，然后依次加入过量的预处理过的ACh和CHO，继续孵育一段时间，再与Fe2+混合一段时间，利用低场核磁共振波谱仪收集T2值，以样品浓度的对数为横坐标，以横向弛豫时间为纵坐标，建立标准曲线，计算得到标准曲线的线性回归方程；
③待测样品的测定：将待测样品先与适量的预处理过的AChE孵育一段时间，然后依次加入过量的预处理过的ACh和CHO，继续孵育一段时间，再与Fe2+混合一段时间，利用低场核磁共振波谱仪收集T2值，并将其代入线性回归方程中，计算得到待测样品的神经毒性农药浓度。
上述的一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法，步骤②和步骤③中神经毒性农药溶液先与适量的预处理过的AChE在37°C孵育30-60min，然后依次加入过量的预处理过的ACh和CHO，继续孵育20-40min，再与Fe2+混合0-20min。
上述的一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法，所述Fe2+、ACh、AChE和CHO的最佳浓度分别为5 mM、5 mM、500 U/L和2000 U/L。
上述的一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法，所述Tris-HCl缓冲液的浓度为10 mM、pH=7.2-8.5，PBS缓冲液浓度为10 mM、PH=7-8，ACh和啶虫脒溶液用超纯水配制。
上述的一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法，在测试之前，AChE和CHO应在室温下活化10分钟，并在7天内使用。
上述的一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法，所述Fe2+来自于FeSO4。
上述的一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法，所述线性回归方程为：Y = 63.49X + 139.17，R2= 0.98，X= Lg[啶虫脒浓度 (μg/mL) ，Y= ΔT2，LOD=2.66 ng/mL，S/N=3, n=3, RSD = 3.8%。
上述的方法，用于检测神经毒性农药的残留。
上述的方法，用于检测吡虫啉、啶虫脒或氯噻啉的残留。
在本专利中，我们将神经毒性农药的酶抑制特性与酶反应体系相结合，构建了一种新型的磁性传感器。其中，采用乙酰胆碱酯酶(AChE)和胆碱氧化酶(CHO)两种酶，ACh作为底物，与AChE 和CHO一起同时引入到含有Fe2+的样品中。乙酰胆碱酯酶(AChE)催化底物ACh生成胆碱，然后胆碱被CHO氧化生成H2O2，实现Fe3+和Fe2+之间的转化。在神经毒性农药存在下，可使乙酰胆碱酯酶(AChE)失活，切断ACh的反应，从而减少胆碱和H2O2的产生。H2O2在氧化还原反应中可将Fe2+转化为Fe3+，导致ΔT2增加，这与神经毒性农药的浓度有关。该“一步混合法”(乙酰胆碱酯酶(AChE)、胆碱酯酶(CHO)和氯化乙酰胆碱（ACh）)已成功应用于啶虫脒的检测。双酶介导的级联反应的引入有望提高检测的灵敏度，而Fe2+/Fe3+转换系统使磁性传感器能够保持稳定。
本发明制备的磁弛豫时间传感器的优势在于：
1. 将农药残留快速检测方法-酶抑制法与低场核磁共振波谱仪结合，克服了传统光学信号易受样品基质干扰，灵敏度不够等缺点，可满足农药残留低浓度范围目标物的分析。
2. 该磁传感器背景信号低，设备小巧，安装要求不高，检测成本低廉，抗外界干扰能力强，易于实现就地即时检测。
附图说明
图1是本发明检测具神经毒性农药的原理图。
图2是本传感器的表征图。
图3是实验条件的优化图。
图4是发明制备的传感器测定啶虫脒的定量检测拟合曲线以及和传统方法的对比。
图5是本传感器的实际样品测定图。
具体实施方式
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案，神经毒性农药可为吡虫啉、啶虫脒、氯噻啉等，目前主要使用啶虫脒，此处以啶虫脒为例进行说明。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
所用的试剂仪器设备来源：
1、0.5T低场核磁共振波谱仪：上海Numag公司；
2、氯化乙酰胆碱、乙酰胆碱酯酶：上海麦克林生化科技有限公司；
3、胆碱氧化酶、啶虫脒：上海源叶生物科技有限公司；
4、番茄、葡萄样品：当地超市。
5、预处理：AChE用pH=8.0，浓度为10 mM的Tris-HCl缓冲液溶解稀释，CHO 用PH=7.4，浓度为10 mM的PBS缓冲液溶解稀释。ACh和啶虫脒溶液用超纯水配制。在测试之前，AChE和CHO应在室温下活化10分钟，并在7天内使用。储藏时，所有溶液均储存在−4 °C中以供进一步使用。
实施例1
磁免疫传感器的建立：
将50μL系列浓度为1000 U/L、500U/L、450U/L、300 U/L、200 U/L、150 U/L、100 U/L、50U/L和10U/L的AChE和50μL浓度为5mM的ACh、50μL浓度为2U/mL的CHO混合，并在37℃下孵育30分钟。上述反应液与50μL浓度为5mM的FeSO4混合，室温下反应30分钟，各取200μL混合溶液于1.5ml玻璃小瓶中测定T2。研究磁信号强度并确定变化趋势。
如图3中C所示，随着AChE浓度的增大，ΔT2值迅速增加。
为了进一步验证实验原理，我们使用过氧化氢试纸条测试了a：空白，b：0.25 mMH2O2，c：ACh + AChE + CHO ，d：ACh + AChE + CHO + 啶虫脒这四组反应体系，如图2中B所示，使用试纸条，水溶液a没有颜色变化，而b的H2O2溶液表现出明显的蓝色变化。ACh、AchE和CHO孵育15min后，c的溶液也呈蓝色，证明反应体系能产生H2O2。此外，当将啶虫脒引入反应体系时，如图2中C所示，d的蓝色变得不那么明显，这表明啶虫脒抑制了酶的活性，并限制了H2O2的产生。此外，为了探讨双酶介导的Fe2+/Fe3+转化，用UV-Vis 分光光度计对酶反应体系进行了表征。很明显，Fe2+溶液和反应体系(ACh+AChE+CHO)在340 nm处无吸收峰，而Fe3+溶液在340 nm处有明显的吸收峰。在上述反应体系中引入Fe2+后，(ACh+AChE+CHO+ Fe2+)在340 nm附近出现相似的吸收峰，表明反应体系能够介导Fe2+向Fe3+的转化。
实施例2
分别考察了ACh、AChE和Fe2+浓度对磁信号变化的影响，如图3所示。
Fe2+
浓度的优化将系列浓度为2 mM、5 mM和10 mM的Fe2+与系列梯度为0.03mM、0.07mM、0.15mM、0.22mM、0.29mM、0.37mM、0.44mM、0.59mM和0.74 mM的H2O2室温反应10min后测T2。如图3中A所示，当Fe2+浓度较低(2 mM)时，ΔT2值随H2O2浓度的增加而迅速增加，H2O2为0.3mM时ΔT2信号趋于稳定。Fe2+浓度为5mM时，随着H2O2浓度的升高，ΔT2信号值基本呈线性增长，同时ΔT2值也相对较高。Fe2+浓度提高到10mM时，ΔT2虽然也基本呈线性增长，但是数值较小。由于反应体系中产生的H2O2可达1 mM，因此我们选择最佳Fe2+为5 mM。
ACh浓度的优化将50μL系列浓度梯度为0mM、0.1mM、0.5mM、1mM、2mM、5mM、10 mM的ACh分别与50 μL浓度为1000U/L的AChE和50 μL 浓度为2000U/L的CHO混合，37°C孵育30min。然后，按体积比1：1加入最佳的Fe2+，室温孵育30min后测T2。如图3中B所示，ΔT2值随ACh浓度增大迅速增加，然后在ACh浓度为5 mM时趋于平衡。
AChE浓度的优化及磁传感器测定乙酰胆碱酯酶当加入浓度为5 mM 的ACh时，AChE系列浓度为1000U/L、500U/L、450U/L、300U/L、200U/L、150U/L、100U/L、50U/L和10 U/L，其他操作同上。如图3中C所示，ΔT2值表现出相同的趋势，当AChE为500 U/L时，趋于平衡，说明500 U/L以上的AChE足以催化ACh。
如图3中D所示，乙酰胆碱酯酶(AChE)的浓度被转换成对数标度，可以看出ΔT2信号对AChE浓度的响应呈线性关系。ΔT2与AChE浓度在10~500U/L范围内呈线性关系，满足回归方程 Y=104.29X−93.06，R2=0.99，其中X为Lg[AChE(U/L)]，Y为ΔT2值。结果表明，磁化法在乙酰胆碱酯酶的测定中具有很大的潜力。
由于CHO参与了第二次反应，取决于第一次反应的产物，我们直接使其用量是AChE的4倍，即2000 U/L。
综上所述，Fe2+、ACh、AChE和CHO的最佳浓度分别为5 mM、5 mM、500 U/L和2000 U/L。
实施例3
一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法，包括如下步骤：
1、预处理
AChE用pH=8.0，浓度为10 mM的Tris-HCl缓冲液溶解稀释，CHO 用PH=7.4，浓度为10 mM的PBS缓冲液溶解稀释。ACh和啶虫脒溶液用超纯水配制。在测试之前，AChE和CHO应在室温下活化10分钟，并在7天内使用。储藏条件：所有溶液均储存在−4 °C中以供进一步使用。
2、绘制乙酰胆碱酯酶AChE的标准曲线
将50μL系列浓度为1000 U/L、500U/L、450U/L、300 U/L、200 U/L、150 U/L、100 U/L、50U/L和10U/L的AChE分别和50μL浓度为5mM的ACh、50μL浓度为2U/mL的CHO混合，并在37℃下孵育30分钟。上述反应液与50μL浓度为5mM的FeSO4混合，室温下反应30分钟，各取200μL混合溶液于1.5ml玻璃小瓶中利用低场核磁共振波谱仪测定T2。以样品浓度的对数为横坐标，以横向弛豫时间为纵坐标，建立标准曲线。如图3中D所示，ΔT2与AChE浓度的线性关系在10~500U/L之间，满足Y = 104.29X − 93.06，R2=0.99，的回归方程，其中X=Lg[AChE浓度(U/L)]，Y=ΔT2值。结果表明，磁传感法测定AChE的潜力很大。我们在这里报告这一现象，但不会在这项工作中详细讨论。
3、待测样品的测定方法：
先将50μL待测的啶虫脒溶液与50μL浓度为500U/L的AChE混合， 37℃反应30分钟，然后加入50μL 浓度为5mM的ACh、50μL 浓度为2U/mL的CHO，继续37℃反应20分钟，引入50μL浓度为5mM的FeSO4后室温反应20分钟，以0.5T低场强核磁共振波谱仪(LF-NMR)检测横向弛豫时间T2，并代入线性回归方程中，计算得到待测样品的啶虫脒浓度。
实施例4
标准曲线的制作及磁传感器与其他传统方法的对比：
根据果蔬中农药残留水平设定一系列啶虫脒标准样品浓度0.01μg/mL、0.1μg/mL、1μg/mL、10μg/mL、100μg/mL、250μg/mL、500μg/mL、750μg/mL、1000μg/mL，取50 μL啶虫脒水溶液先与50 μL浓度为500 U/L的AChE，在37°C孵育30min，然后依次加入50 μL浓度为10 mM(因为检测啶虫脒，会使乙酰胆碱酯酶失活，要真实反映酶的量，就是要真实反映还有效的酶的量，则AChE适量，ACh和CHO都过量)的ACh和50μL浓度为2000 U/L的CHO，然后再孵育20min。将上述溶液与等量5 mM Fe2+混合20 min，收集T2值。以样品浓度“μg/mL”)的对数为横坐标，以横向弛豫时间差值（ΔT2）为纵坐标作图，建立标准曲线，计算得到标准曲线的线性回归方程。计算得到标准曲线的线性回归方程Y = 63.49X + 139.17( R2= 0.98)，X= Lg[啶虫脒浓度(μg/mL) ，Y= ΔT2，LOD= 2.66 ng/mL，S/N=3，n=3，RSD = 3.8%, 说明此传感器灵敏度高，检测范围广。
同时用分光光度法和过氧化氢试纸测定啶虫脒的含量。配制溶液的步骤与磁传感器相同。用过氧化氢试纸测定加入Fe2+后，在340 nm处用紫外-可见分光光度计测定吸光度。对每个样本重复测量三次。结果如图4中C所示，吸光度在1~1000 μg/mL范围内增加，符合线性方程Y=6.52×10−5X+0.0175，检出限为0.48 μg/mL(X= [啶虫脒(ng/mL)]，R2=0.96，RSD=5.6%)。在TEIA方法中，如图4中D所示，试纸条对反应体系中产生的H2O2进行了目视检测，这可以由抑制率来表示。啶虫脒对抑制率的线性响应范围为1~1000μg/mL，可表示为Y=0.0054X+1.6090，R2=0.97，RSD=5.2%，LOD值为0.89μg/mL，其中X为抑制率(%)，Y为ΔT2值。
显然，Fe2+-T2传感器法比分光光度法和传统的酶抑制法具有更高的灵敏度和准确度。Fe2+-T2传感器的优点归因于两个因素：(1)水溶液中的Fe2+均匀、稳定，无背景干扰，可获得稳定、灵敏的信号输出；(2)双酶介导的Fe2+/Fe3+转化的级联反应只需“一步混合”，提高了检测效率和灵敏度。
实施例5
1.样品检测及加标回收试验
为了验证Fe2+-T2传感器的可靠性，我们对当地的番茄、葡萄等食品进行了检测。在加标过程中，在样品表面喷洒不同浓度的啶虫脒溶液，溶液在室温下完全干燥，以模拟自然环境。将果蔬样品用PBS缓冲液浸泡提取，所得提取液采用上述乙酰胆碱酯酶介导磁传感器方法进行测定，结果如图5。提取时间较长的样品(番茄2号、葡萄2号)的啶虫脒残留量比提取时间较短的样品(番茄1号、葡萄1号)高，说明该磁敏传感器可以应用于实际样品的检测。
2.样品加标回收
为了进一步评估该方法的准确性，我们选择了标准的添加方法，分别在样品中加入1、10、100和1000μg/mL的啶虫脒标液自然孵育后提取并使用上述磁传感器检测，计算加标回收率。如表1所示，在番茄和葡萄中测定的啶虫脒与添加浓度符合良好，回收率为81.27%~142.07%，变异系数(CV)为5.7%~9.2%。结果表明，该磁敏传感器对食品样品中啶虫脒残留量的检测具有良好的准确性。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的工艺方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
表1本传感器样品检测的加标回收试验结果

Claims (9)

1.一种基于AChE和CHO双酶介导的磁弛豫开关传感器的检测方法，其特征在于，
①预处理：AChE用Tris-HCl缓冲液溶解稀释，CHO 用PBS缓冲液溶解稀释，ACh和神经毒性农药溶液用水配制，在测试之前，AChE和CHO先活化；
②标准曲线的绘制：将一系列不同浓度的神经毒性农药溶液，先与适量的预处理过的AChE孵育一段时间，然后依次加入过量的预处理过的ACh和CHO，继续孵育一段时间，再与Fe2+混合一段时间，利用低场核磁共振波谱仪收集T2值，以样品浓度的对数为横坐标，以横向弛豫时间为纵坐标，建立标准曲线，计算得到标准曲线的线性回归方程；
③待测样品的测定：将待测样品先与适量的预处理过的AChE孵育一段时间，然后依次加入过量的预处理过的ACh和CHO，继续孵育一段时间，再与Fe2+混合一段时间，利用低场核磁共振波谱仪收集T2值，并将其代入线性回归方程中，计算得到待测样品的神经毒性农药浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤②和步骤③中神经毒性农药溶液先与适量的预处理过的AChE在37°C孵育30-60min，然后依次加入过量的预处理过的ACh和CHO，继续孵育20-40min，再与Fe2+混合0-20min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Fe2+、ACh、AChE和CHO的浓度分别为5 mM、5mM、500 U/L和2000 U/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Tris-HCl缓冲液的浓度为10 mM、pH=7.2-8.5，PBS缓冲液浓度为10 mM、PH=7-8，所述神经毒性农药为啶虫脒，ACh和啶虫脒溶液用超纯水配制。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在测试之前，AChE和CHO在室温下活化10分钟，并在7天内使用。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Fe2+来自于FeSO4。
7.根据权利要求1-3、5、6任一项所述的方法，用于检测神经毒性农药的残留。
8.根据权利要求4所述的方法，用于检测啶虫脒的残留。
9.根据权利要求7所述的方法，用于检测吡虫啉、啶虫脒或氯噻啉的残留。
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