嚴(yán)文靜, 章建浩, 楊龍平, 王永麗
(國(guó)家肉品質(zhì)量與安全控制工程技術(shù)研究中心,南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,江蘇南京210095)
雙酚A(Bisphenol A,BPA)是塑料制備過(guò)程中的一種重要原料,廣泛存在于奶瓶、水瓶、牙套、保鮮膜等日常生活用品中。由于BPA在自然環(huán)境中很難降解,所以很容易通過(guò)食物鏈富集或食品包裝材料遷移到食品中,進(jìn)而對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害[1]。因此,研究和建立BPA快速檢測(cè)方法,對(duì)于保障人類健康和食品安全具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的BPA檢測(cè)多采用氣相色譜和氣-質(zhì)聯(lián)用法、液相色譜和液-質(zhì)聯(lián)用法等[2]。這些檢測(cè)方法前處理過(guò)程繁瑣、設(shè)備昂貴,不適應(yīng)食品安全檢測(cè)快速、方便、低成本、低污染、高通量檢測(cè)的要求[3]。近年來(lái),針對(duì)BPA國(guó)內(nèi)外許多研究小組開(kāi)展了這類物質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)研究,并開(kāi)發(fā)了一些新型快速檢測(cè)方法,如酶聯(lián)免疫法[4]、熒光分析法[5]、電化學(xué)分析法[6]等。這些分析方法雖然能彌補(bǔ)上述方法的一些不足,但在實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用中常常受復(fù)雜樣品基質(zhì)干擾,重復(fù)性較差[7]。由此,開(kāi)發(fā)一種快速、穩(wěn)定、高靈敏的BPA檢測(cè)方法是目前迫切需要解決的問(wèn)題。
表面增強(qiáng)拉曼光譜(Surface Enhanced Raman Spectroscopy,SERS)是利用納米材料表面等離子共振對(duì)吸附于金屬表面分子的拉曼信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)的現(xiàn)象,增強(qiáng)因子最高可達(dá)108~1014倍,具有單分子檢測(cè)的潛能[8,9]。SERS的優(yōu)勢(shì)還表現(xiàn)在不需要對(duì)樣品進(jìn)行任何的前處理或提取分離,便可以通過(guò)分子特有的指紋圖譜,對(duì)復(fù)雜混合體系中的特定微量成分進(jìn)行直接檢測(cè)[10],特別適用于復(fù)雜食品基質(zhì)中的有毒有害物檢測(cè)[11]?;诖诵再|(zhì),SERS技術(shù)目前已經(jīng)被廣泛用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、生物大分子檢測(cè)、疾病診斷、基因分析等領(lǐng)域[12,13]。
本文基于兩種不同尺寸的金、銀納米顆粒,結(jié)合DNA自組裝技術(shù),制備了高產(chǎn)率、高SERS活性的金-銀納米異質(zhì)二聚體,利用BPA與核酸適配體的特異性識(shí)別作用,建立了一種基于金-銀納米異質(zhì)二聚體的SERS傳感檢測(cè)體系,實(shí)現(xiàn)了BPA的快速、穩(wěn)定、高靈敏定量檢測(cè)。
JEM-2100HR透射電子顯微鏡(日本,電子株式會(huì)社);UV-1800紫外分光光度計(jì)(日本,島津公司);HR-800顯微激光共聚焦拉曼光譜儀(法國(guó),HORIBA Jobin Yvon公司);Nano ZS納米粒徑分析儀(英國(guó),馬爾文公司);Allegra 64R型高速冷凍離心機(jī)(美國(guó),Beckman公司)。
HAuCl4(99%)、檸檬酸三鈉、AgNO3、抗壞血酸、NaBH4、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、4-氨基苯硫酚(4-ATP)、雙酚A、雙酚C、雙酚酸、己烯雌酚,均購(gòu)于Sigma試劑公司。其他試劑均為分析純,購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。
實(shí)驗(yàn)中所有單鏈核酸序列均來(lái)自上海生工生物技術(shù)有限公司。BPA核酸適配體序列(DNA1):5′-SH-(T)6-CCGGT GGGTG GTCAGGTGGG ATAGC GTTCC GCGTA TGGCC CAGCGCATCA CGGGT TCGCA CCA-3′;其互補(bǔ)序列(DNA2):5′-SH-(T)6-CCCAC CTGAC CACCC ACCGG -3′。
1.2.1納米顆粒的制備參見(jiàn)文獻(xiàn)方法[14]制備金、銀納米顆粒。(1)金納米顆粒的制備:100 mL 0.01%的HAuCl4溶液,勻速攪拌、加熱沸騰持續(xù)7~8 min后,快速加入1.6 mL 1%檸檬酸三鈉溶液,繼續(xù)攪拌加熱,待溶液從無(wú)色變?yōu)榧t色并不再發(fā)生變化,停止加熱并繼續(xù)攪拌30 min。(2)銀納米顆粒的制備:取100 mL潔凈的錐形瓶置于冰浴中,依次加入40 mL超純水,1.2 mL 0.01 mol/L NaBH4溶液和10 mL 1%的聚乙烯吡咯烷酮溶液。攪拌下,逐滴向瓶中加入10 mL 1%的聚乙烯吡咯烷酮溶液和10 mL 0.1%的AgNO3溶液,溶液從無(wú)色逐漸變?yōu)辄S色。將反應(yīng)物置于溫度80 ℃反應(yīng)3 h,最后溶液變?yōu)榱咙S色。制備的金、銀納米顆粒溶液放入4 ℃冰箱備用。
采用透射電子顯微鏡,紫外吸收光譜儀及動(dòng)態(tài)光散射儀對(duì)制備的金、銀納米顆粒的形貌、粒徑、分散度等進(jìn)行表征。
1.2.2納米顆粒表面定向修飾DNA人工合成巰基修飾DNA序列用1倍TE緩沖液稀釋到5 μmol/L濃度,存放在-20 ℃冰箱備用。制備的金、銀納米顆粒,各取1 mL 25 nmol/L于2個(gè)不同離心管中,分別向2個(gè)管中加入20 μL 5 μmol/L人工合成的DNA溶液,混合均勻后,分別向2管中加入25 μL 1 mol/L的Tris-HCl緩沖液和10 μL 5 mol/L的NaCl溶液,室溫反應(yīng)12 h后,13 000 r/min離心10 min,去除上清液,加20 mmol/L Tris-HCl恢復(fù)到原體積。DNA通過(guò)末端的巰基與金、銀納米顆粒形成Au-S或Ag-S 鍵偶聯(lián)在納米顆粒表面。利用瓊脂糖凝膠電泳對(duì)納米顆粒偶聯(lián)DNA后的特性進(jìn)行表征,膠的濃度為1.5%,電壓80 kV,電泳時(shí)間100 min。
實(shí)驗(yàn)中采用密度梯度離心法將未偶聯(lián)DNA的納米顆粒從體系中分離。參考文獻(xiàn)方法[14],具體步驟如下:取1.5 mL 15%的Ficoll 400加入到5 mL離心管中,再將1.5 mL 60%的Ficoll 400輕輕加到底層,取500 μL納米顆粒-DNA溶液加入到離心管的最上層,5 000 r/min離心30 min。由于金-DNA比單個(gè)金納米顆粒的體積大,離心后溶液分為兩層,上層為金-DNA,下層為金納米顆粒。取上層溶液,加入超純水離心,沉淀物用超純水分散,再離心重復(fù)3~4次,最后得到金-DNA復(fù)合物。
1.2.3金-銀納米異質(zhì)二聚體的制備取制備的兩種納米顆粒-DNA復(fù)合物各1 mL混合于5 mL離心管中,隨后加入20 μL 5 mol/L NaCl溶液,混合均勻,90 ℃水浴5 min后在水蒸汽中緩慢降到室溫,實(shí)現(xiàn)金-銀納米異質(zhì)二聚體的制備。采用密度梯度離心分離法對(duì)組裝體進(jìn)行純化分離,方法參考1.2.2節(jié)。利用透射電子顯微鏡和動(dòng)態(tài)光散射對(duì)異質(zhì)二聚體的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行表征。
1.2.4異質(zhì)二聚體修飾SERS活性測(cè)定及優(yōu)化分別取制備好的金納米顆粒、銀納米顆粒及金-銀納米異質(zhì)二聚體200 μL于3個(gè)不同的離心管中,向3個(gè)管中加入2 μL 100 μmol/L的4-ATP溶液,室溫反應(yīng)8 h后,13 000 r/min離心10 min,除去上清液,加入20 mmol/L Tris-HCl緩沖液恢復(fù)到原體積,分別測(cè)量SERS。測(cè)定的激發(fā)波長(zhǎng)為514 nm,掃描時(shí)間為10 s。
拉曼活性分子的濃度對(duì)于金-銀異質(zhì)二聚體的SERS信號(hào)強(qiáng)度和體系的分散性有很大的影響,本實(shí)驗(yàn)對(duì)4-ATP的濃度進(jìn)行了優(yōu)化。分別取200 μL制備好的異質(zhì)二聚體于4個(gè)不同的管中,每管加入不同量的4-ATP,使得體系中4-ATP的最終濃度分別為0.5、1.0、2.0和5.0 μmol/L,反應(yīng)結(jié)束后,通過(guò)比較溶液SERS信號(hào)強(qiáng)度,確定4-ATP的最佳濃度。采用514 nm、633 nm和785 nm三種不同波長(zhǎng)的激發(fā)光對(duì)組裝體SERS信號(hào)進(jìn)行測(cè)定,確定合適的激發(fā)波長(zhǎng)。
1.2.5SERS傳感檢測(cè)體系的建立及優(yōu)化向制備的金-銀納米異質(zhì)二聚體中,加入一定濃度的BPA溶液,室溫分別反應(yīng)0、10、20、30、40、50和60 min,測(cè)定體系不同反應(yīng)時(shí)間的SERS信號(hào)強(qiáng)度,從而確定合適的反應(yīng)時(shí)間。
1.2.6BPA的傳感檢測(cè)按照上述優(yōu)化的條件,制備得到高產(chǎn)率、高分散性且具有強(qiáng)SERS信號(hào)的金-銀納米異質(zhì)二聚體,分別取200 μL于7個(gè)不同的離心管中,每個(gè)管中加入5 μL不同濃度的BPA溶液,使得BPA的最終濃度分別為0、0.05、0.1、0.5、1.0、5.0和10.0 μg/L,反應(yīng)一定時(shí)間后,取100 μL反應(yīng)液加入到微量石英比色皿中,進(jìn)行SERS測(cè)定。測(cè)定的激發(fā)波長(zhǎng)為514 nm,掃描時(shí)間為10 s。
分別制備兩種尺寸不同的金(25 nm)、銀(10 nm)納米顆粒,將含有BPA核酸適配體的序列(DNA1)通過(guò)末端巰基修飾在金納米顆粒表面,其互補(bǔ)序列(DNA2)通過(guò)末端巰基修飾在銀納米顆粒表面,通過(guò)調(diào)整DNA與納米顆粒的摩爾比,制備得高產(chǎn)率金-銀納米異質(zhì)二聚體結(jié)構(gòu)。拉曼活性分子4-ATP通過(guò)巰基定向修飾在二聚體的表面,利用異質(zhì)二聚體中兩個(gè)粒子之間形成的強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)增強(qiáng),對(duì)修飾在表面的4-ATP的拉曼信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng),從而使組裝體表現(xiàn)出強(qiáng)烈的SERS信號(hào)。當(dāng)體系中存在BPA時(shí),會(huì)與其對(duì)應(yīng)的核酸適配體競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合,使得金-銀異質(zhì)二聚體解離,組裝體SERS信號(hào)減弱。利用目標(biāo)物濃度變化與SERS信號(hào)的規(guī)律性變化關(guān)系,建立標(biāo)準(zhǔn)曲線,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)BPA的快速檢測(cè)。原理如圖1所示。
圖1 基于金-銀納米異質(zhì)二聚體結(jié)構(gòu)檢測(cè)BPA的原理Fig.1 Schematics of detection of BPA based on self-assembled Au-Ag hetero-dimer nanostructures
圖2a、2b分別為金、銀納米顆粒的透射電鏡(TEM)圖,圖中顯示金納米顆粒的尺寸為25±3 nm,銀納米顆粒的尺寸為10±2 nm,這與動(dòng)態(tài)光散射譜的測(cè)量結(jié)果顯示基本吻合(圖2d)。另外,從圖2d可以看出,金、銀的峰形對(duì)稱,峰寬較窄,并且當(dāng)粒徑大于50 nm時(shí)沒(méi)有明顯的峰,說(shuō)明制備的納米顆粒分散性好,體系中沒(méi)有明顯的聚集體產(chǎn)生。Zeta電位結(jié)果顯示(圖2e),金、銀納米顆粒的電位分別為-21.9 mV和-2.1 mV,這主要與納米顆粒表面修飾的配體有關(guān)。紫外-可見(jiàn)吸收光譜分別在522 nm和400 nm波長(zhǎng)處有明顯的吸收峰,對(duì)應(yīng)于金、銀納米顆粒的等離子體共振吸收峰(圖2c),峰尖且對(duì)稱,說(shuō)明制備的金、銀納米顆粒形貌均一。
圖2 金、銀納米顆粒透射電鏡(TEM)圖(a、b),紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖(c),粒徑分布圖(d)和Zeta電位圖(e)Fig.2 TEM images of Au and Ag NPs (a,b),UV-Vis spectra (c),Dynamic light scattering size distributions (d) and Zeta potential (e)
圖3 Au-DNA和Ag-DNA復(fù)合物的瓊脂糖凝膠電泳圖Fig.3 Agarose gel images of Au-DNA and Ag-DNA complex
將人工合成的單鏈寡核苷酸序列,通過(guò)末端修飾的巰基定向偶聯(lián)在金、銀納米顆粒的表面,為了防止納米顆粒因表面DNA雜交產(chǎn)生大片的聚集體,體系中加入的納米顆粒與DNA的摩爾比為1∶5。實(shí)驗(yàn)中采用瓊脂糖凝膠電泳對(duì)納米顆粒偶聯(lián)DNA的結(jié)果進(jìn)行表征[14]。如圖3所示,電泳方向從上到下,從負(fù)極到正極。檸檬酸三鈉制備的金納米顆粒帶負(fù)電荷,當(dāng)表面偶聯(lián)DNA之后,由于DNA的空間阻力,使得偶聯(lián)DNA之后的金納米顆粒相比于沒(méi)有偶聯(lián)DNA的金納米顆粒,電泳遷移率較小,條帶位置靠后,如圖3(條帶1和條帶2)。以PVP為保護(hù)劑制備的銀納米顆粒不帶電荷,當(dāng)表面偶聯(lián)DNA后,銀-DNA復(fù)合物表面的負(fù)電荷增加,電泳遷移率增大,條帶位置靠前,如圖3(條帶3和條帶4)。由于金和銀納米顆粒表面電荷的差異,銀納米顆粒的電泳條帶比金納米顆粒的條帶靠后[15]。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的方法[16],對(duì)納米顆粒表面DNA的數(shù)量進(jìn)行了估算,金、銀納米顆粒表面的DNA數(shù)量分別為0.9±0.2和1.2±0.5,有效避免了納米多聚體的形成。
圖4 金-銀納米異質(zhì)二聚體結(jié)構(gòu)透射電鏡(TEM)圖Fig.4 TEM images of Au-Ag hetero-dimer structures
金-銀納米異質(zhì)二聚體的組裝依賴于兩條單鏈DNA的互補(bǔ)雜交,水浴90 ℃ 5 min是為了使折疊的單鏈DNA完全展開(kāi),有利于雙鏈雜交。在緩慢降溫的過(guò)程中,兩條單鏈DNA按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則進(jìn)行雜交,從而制備得到金-銀納米異質(zhì)二聚體。從圖4顯示可以看出:金、銀納米顆粒組裝有序,組裝體分布均一,沒(méi)有出現(xiàn)大片的聚集體。
從圖2中可以看出,金-銀異質(zhì)二聚體分別在520 nm 和409 nm有兩個(gè)特征峰,分別對(duì)應(yīng)組裝體中金顆粒和銀顆粒的特征峰,由此也表明異質(zhì)二聚體組裝是成功的。實(shí)驗(yàn)中采用動(dòng)態(tài)光散射對(duì)組裝體的尺寸分布進(jìn)行了測(cè)定,從圖5可以看出:當(dāng)單個(gè)納米顆粒定向組裝成二聚體后,體系的尺寸變大,直徑約為43±3 nm,根據(jù)金、銀納米顆粒的尺寸計(jì)算得出二聚體中兩個(gè)納米顆粒之間的距離為8±4 nm,符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。另外,由圖5可知,當(dāng)粒徑大于150 nm時(shí),光譜中沒(méi)有明顯的信號(hào),說(shuō)明體系中沒(méi)有大片的聚集體產(chǎn)生,有效避免了因聚集體產(chǎn)生的強(qiáng)SERS信號(hào)對(duì)檢測(cè)體系的干擾。
實(shí)驗(yàn)中采用4-ATP分別對(duì)金納米顆粒、銀納米顆粒及金-銀納米異質(zhì)二聚體進(jìn)行修飾,4-ATP的濃度均為1 μmol/L。從圖6可以看出,同樣濃度下金-銀異質(zhì)二聚體的SERS信號(hào)最強(qiáng),約為金和銀納米顆粒SERS信號(hào)的6倍。其原因在于,當(dāng)兩個(gè)分散的納米顆粒距離十分接近的時(shí)候,在兩個(gè)納米顆粒之間會(huì)形成強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域,即“熱點(diǎn)”區(qū)域,使得存在于該區(qū)域的拉曼活性分子的拉曼信號(hào)會(huì)被極大地增強(qiáng)[17]。圖中分別在388、1 078和1 617 cm-1有三個(gè)明顯的峰,對(duì)應(yīng)于4-ATP的拉曼特征峰。
圖5 金-銀納米異質(zhì)二聚體結(jié)構(gòu)水合粒徑圖Fig.5 Hydrodynamic diameters of Au-Ag hetero-dimer structures
圖6 金-銀異質(zhì)二聚體的SERS圖Fig.6 SERS spectra of Au-Ag hetero-dimer structures
為了研究不同濃度4-ATP對(duì)于體系SERS信號(hào)強(qiáng)度的影響,實(shí)驗(yàn)中對(duì)拉曼活性分子的濃度進(jìn)行了優(yōu)化。如圖7a所示,隨著4-ATP濃度的增加,體系SERS信號(hào)逐漸增加,4-ATP濃度為2 μmol/L時(shí),SERS信號(hào)最強(qiáng);當(dāng)濃度高于2 μmol/L時(shí),體系的SERS信號(hào)減弱。其原因可能是,過(guò)多的4-ATP引起納米組裝體聚集,從而使得SERS信號(hào)減弱[18],由此確定4-ATP的最佳濃度為2 μmol/L。另外,本實(shí)驗(yàn)研究了514、633和785 nm三種激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)組裝體SERS信號(hào)強(qiáng)度的影響,從圖7b可以看出,采用514 nm時(shí)得到的SERS強(qiáng)度最高,其原因可能是514 nm比較接近金和銀的吸收峰,激發(fā)光能夠引起金、銀納米顆粒表面等離子體共振,從而使得SERS信號(hào)大大增強(qiáng)[19]。
圖7 異質(zhì)二聚體修飾不同濃度4-ATP的SERS圖譜(a);異質(zhì)二聚體不同激發(fā)光源的SERS圖譜(b)Fig.7 SERS spectra of Au-Ag hetero-dimers with different concentrations of 4-ATP(a);SERS spectra with different excitation source(b)
圖8 異質(zhì)二聚體與BPA反應(yīng)時(shí)間對(duì)SERS信號(hào)強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of reaction time of hetero-dimers and BPA on the SERS signal intensity
向制備好的高SERS活性的金-銀納米異質(zhì)二聚體中加入一定量的BPA,研究金-銀納米異質(zhì)二聚體與BPA反應(yīng)時(shí)間對(duì)體系SERS信號(hào)強(qiáng)度的影響,以確定檢測(cè)體系的最佳反應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)以1 078 cm-1處的特征峰強(qiáng)度為對(duì)象,建立時(shí)間-SERS信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系曲線。如圖8所示,當(dāng)體系中不存在BPA時(shí),隨著時(shí)間的延長(zhǎng)體系的SERS信號(hào)基本不變;當(dāng)體系中加入5 μg/L的BPA后,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)體系的SERS信號(hào)快速下降,反應(yīng)30 min后基本保持不變。由此確定BPA與檢測(cè)體系的最佳反應(yīng)時(shí)間為30 min。
基于上述制備好的金-銀納米異質(zhì)二聚體,進(jìn)行了不同濃度BPA的快速檢測(cè)。檢測(cè)體系中BPA的終濃度分別為0、0.05、0.1、0.5、1.0、5.0和10.0 μg/L。反應(yīng)30 min后,測(cè)量SERS信號(hào)強(qiáng)度。如圖9所示,隨BPA濃度增加體系的SERS信號(hào)逐漸減弱,以1 078 cm-1處特征峰為目標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。從圖10可見(jiàn),BPA濃度在0.05~10 μg/L呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,線性回歸方程為:y=-157.9lnx+730.4(R2=0.9904),檢測(cè)限為0.038 μg/L。
圖9 不同濃度BPA的SERS光譜圖Fig.9 SERS spectra under different concentrations of BPA
圖10 BPA檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線圖Fig.10 Standard curve of the determination of target BPA
圖11 檢測(cè)體系特異性分析圖Fig.11 Selectivity of the hetero-dimers detecting system towards BPA,BPC,DPA and DEC
為了驗(yàn)證該檢測(cè)方法的特異性,配制濃度為5 μg/L的雙酚A(BPA)、雙酚C(BPC)、雙酚酸(DPA)、己烯雌酚(DEC)溶液,按照本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的檢測(cè)方法,按步驟加入到檢測(cè)體系中,通過(guò)測(cè)定1 078 cm-1處拉曼特征峰的強(qiáng)度進(jìn)行比較。結(jié)果如圖11所示,除了BPA外,其他物質(zhì)均不會(huì)引起體系SERS信號(hào)變化,證明本檢測(cè)方法具有良好的特異性。
考察了該檢測(cè)方法對(duì)實(shí)際牛奶樣品中BPA的響應(yīng),結(jié)果如表1所示,當(dāng)樣品加入BPA的最終濃度為0.1、0.5、1.0、5.0 μg/L時(shí),得到的回收率在89.8%~108.0%之間,說(shuō)明本方法BPA檢測(cè)方法準(zhǔn)確性高,可以應(yīng)用于實(shí)際樣品中BPA的檢測(cè)。
表1 牛奶樣品中添加BPA的檢測(cè)回收率
本實(shí)驗(yàn)基于金、銀納米顆粒及DNA模板自組裝技術(shù),構(gòu)建了一種具有高SERS活性的金-銀納米異質(zhì)二聚體結(jié)構(gòu),并成功用于BPA的快速、高靈敏的定量分析。在最優(yōu)條件下,BPA濃度在0.05~10 μg/L之間具有良好的線性(R2=0.9904),檢測(cè)限為0.038 μg/L。與傳統(tǒng)方法相比,本方法具有快速、高靈敏、高特異性、操作簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),并且能在30 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。利用該方法可以對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行定量檢測(cè),具有較好的應(yīng)用價(jià)值。