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    DNA輔助識別的西馬特羅分子印跡傳感器

    2018-01-16 11:18:14張連明張東友曾英李建平
    分析化學(xué) 2018年11期

    張連明 張東友 曾英 李建平

    摘 要 利用DNA改善印跡孔穴對模板分子空間識別性能,建立了高選擇性印跡材料的制備新方法,并用于痕量西馬特羅的測定。在金電極表面自組裝固定雙鏈DNA,待西馬特羅與DNA雙鏈進(jìn)行結(jié)合后,以西馬特羅-DNA復(fù)合物為模板,電聚合制備西馬特羅-DNA復(fù)合物的分子印跡聚合物膜。去除待測分子西馬特羅,得到對西馬特羅具有高特異性識別能力的分子印跡傳感器。對傳感器制備及工作條件進(jìn)行了優(yōu)化,利用紫外吸收光譜對西馬特羅與DNA的結(jié)合方式進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,二者之間的相互作用模式為溝槽式結(jié)合。印跡膜以乙醇-乙酸(8∶1,V/V)為洗脫劑,洗脫時(shí)間為35 min,重吸附時(shí)間為45 min。以鐵氰化物作為探針,其氧化電流與西馬特羅濃度在1.0 × 1013~1.0 × 1010 mol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,檢出限為3.2×1014 mol/L(S/N=3)。將傳感器成功應(yīng)用于豬肉樣品中西馬特羅的檢測,結(jié)果良好。

    關(guān)鍵詞 分子印跡; 西馬特羅; 電化學(xué)傳感器; DNA; 選擇性識別

    1 引 言

    西馬特羅(Cimaterol,CIM)是繼萊克多巴胺、沙丁胺醇和克倫特羅之后的新型“瘦肉精”[1]。因西馬特羅可以減少胴體脂肪含量,促進(jìn)家畜生長,改變?nèi)赓|(zhì),經(jīng)常被非法加入到肉畜飼料中[2]。長期大量使用西馬特羅會使其在動物組織內(nèi)積累殘留,造成食用者中毒,產(chǎn)生目眩、惡心、嘔吐、心率加快等癥狀,嚴(yán)重者可導(dǎo)致死亡[3]。我國農(nóng)業(yè)部公告第193號文件明確規(guī)定西馬特羅禁止在畜禽生產(chǎn)中使用[4]?,F(xiàn)有的檢測動物組織中西馬特羅的方法主要有氣相色譜-質(zhì)譜法[5,6]、高效液相色譜法[7,8]、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[9,10]、酶免疫分析法[11,12]和毛細(xì)管電泳法[13,14]等。但是,這些方法均存在一定的缺陷,如樣品前處理繁瑣、檢測耗時(shí)過長、樣品中組份對分析干擾較大等[15]。因此,發(fā)展操作簡便、靈敏度高、選擇性好、無需復(fù)雜前處理過程的西馬特羅殘留檢測方法具有重要意義。

    分子印跡聚合物(MIPs)是一類對目標(biāo)分子具有專一性識別能力并具有記憶功能的聚合物[16~18]。雖然各種瘦肉精分子印跡聚合物已見報(bào)道[15,19],但是,這些分子印跡聚合物由于印跡孔穴識別單元種類和數(shù)量不多, 尚不能對結(jié)構(gòu)相近、官能團(tuán)相似的瘦肉精分子作有效地分辨[20]。因此,提高印跡聚合物材料的專一性識別能力,發(fā)展高特異性西馬特羅識別方法很有必要。

    DNA由于其特殊鏈狀結(jié)構(gòu)及含有豐富的活性基團(tuán)已被廣泛應(yīng)用于分子識別領(lǐng)域。Nicholas等[21]利用單鏈DNA(ssDNA)與蛋白質(zhì)之間的結(jié)合作用,制備了蛋白質(zhì)分子印跡聚合物。Li等[22]以林可霉素分子為靶物質(zhì),在堿基庫中篩選出對其具有高親和性的適配體,以適配體-林可霉素復(fù)合物為模板分子電聚合于石墨烯表面,發(fā)展了一種適配體-分子印跡傳感器制備方法,該方法借助ssDNA的基團(tuán)增加印跡膜的識別位點(diǎn)可以增強(qiáng)MIPs的識別能力,然而,印跡孔穴內(nèi)模板分子空間排列的立體選擇性并沒有得到有效改善。研究表明,不同堿基互補(bǔ)可以形成不同的雙鏈DNA(dsDNA)溝槽結(jié)構(gòu),生物分子可以嵌入dsDNA的溝槽[23,24],這種結(jié)合方式對生物分子在印跡孔穴中的空間排列可提供構(gòu)象選擇性。

    本研究將dsDNA與有機(jī)分子溝槽結(jié)合產(chǎn)生的構(gòu)象選擇性引入分子印跡聚合物材料的制備,以進(jìn)一步提高印跡聚合物的專一性識別能力。以西馬特羅為目標(biāo)分子,通過AuS鍵將dsDNA固定在金電極表面,待 dsDNA與西馬特羅分子結(jié)合后,以復(fù)合物為模板,電聚合形成分子印跡聚合物。去除西馬特羅后,得到與西馬特羅在作用位點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及3D構(gòu)象相匹配互補(bǔ)的印跡孔穴,據(jù)此對西馬特羅進(jìn)行高選擇性識別; 采用鐵氰化物作為探針,實(shí)現(xiàn)西馬特羅的定量測定。識別機(jī)理如圖1所示。

    2 實(shí)驗(yàn)部分

    2.1 儀器與試劑

    PGSTAT 128N Autolab電化學(xué)工作站(瑞士萬通有限公司),采用三電極系統(tǒng):工作電極為DNA/MIPs修飾金電極(Φ=3 mm),Ag/AgCl(飽和KCl)電極作為參比電極,鉑絲電極作為對電極; UV-2400PC紫外-可見分光光度計(jì)(日本島津公司); S4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立有限公司)。

    西馬特羅(CIM)、鹽酸克倫特羅、沙丁胺醇、萊克多巴胺、班布特羅、馬布特羅、西布特羅、溴布特羅標(biāo)準(zhǔn)品(德國Witega Laboratorien公司); DNA序列(ssDNA序列為:AGAGAG-C6-3′-SH,互補(bǔ)DNA序列為:SH-5′-C6-CTCTCT)由上海生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司合成,使用時(shí)用TE緩沖液(10.0 mmol/L Tris-HCl,100.0 mmol/L NaCl,1.0 mmol/L EDTA,pH 8.0)配制和稀釋; 0.1 mol/L HCl,乙醇-乙酸混合液(8∶1,V/V)、 乙酸乙酯、 10% Na2CO3溶液、 Tris-HCl緩沖溶液(0.24 mol/L HCl,0.002 mol/L Tris,pH 7.47)、 0.05 mol/L 三(2-甲酰乙基)膦鹽酸鹽(TCEP)、 鄰苯二胺(o-PD,Aladdin公司)。探針分子溶液是含有0.1 mol/L KCl的0.05 mol/L K4[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6]溶液,若無特殊說明,所用試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水均為二次去離子水。

    2.2 DNA/MIPs、DNA/nMIPs及常規(guī)印跡傳感器的制備

    將金電極用氧化鋁粉在麂皮上打磨至鏡面。將ssDNA與其互補(bǔ)鏈分別取出解凍10 min并離心, 用TE緩沖液溶解,并用TCEP溶液進(jìn)行活化1 h后得到1.0×105 mol/L ssDNA及互補(bǔ)鏈(TCEP活化的目的是將巰基修飾的ssDNA之間自然形成的雙硫鍵斷開,便于AuS鍵結(jié)合)。將金電極浸入ssDNA溶液2 h,使ssDNA通過AuS鍵結(jié)合于金電極表面,將上述修飾電極浸入互補(bǔ)DNA鏈溶液2 h, 得到雜交后的dsDNA修飾金電極。將修飾dsDNA的金電極置于4.6×105 mol/L西馬特羅溶液中孵育3.5 h, 使西馬特羅與dsDNA結(jié)合。以1.0×104 mol/L 鄰苯二胺為功能單體,電聚合制備得到印跡聚合物膜(循環(huán)伏安掃描電位范圍:0~0.8 V,掃描速率為0.05 V/s,掃描圈數(shù)為25)。以乙醇-乙酸(8∶1, V/V)為洗脫液,將上述修飾電極置于洗脫液中輕微攪拌35 min, 除去西馬特羅,得到對西馬特羅具有特異性識別能力的DNA/MIPs傳感器。利用相同方法制備了非分子印跡修飾電極(DNA/nMIPs傳感器,制備過程中不添加西馬特羅)及常規(guī)分子印跡傳感器(MIPs傳感器,制備過程中不添加DNA)。

    2.3 實(shí)驗(yàn)方法

    將傳感器置于不同濃度的西馬特羅溶液中重吸附45 min后檢測。在含有0.1 mol/L KCl的0.05 mol/L K4[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6]的探針溶液中,考察傳感器的電化學(xué)性能。差分脈沖伏安法(DPV)參數(shù)為:初始電位0.2 V,終止電位+0.6 V,振幅0.05 V,掃速50 mV/s。交流阻抗法(EIS)頻率范圍為100 mHz~100 kHz,振幅為5 mV。

    2.4 樣品處理

    豬肉樣品購于本地超市, 按農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)方法(NY/T 486-2006)處理[25]。取5 mL乙酸乙酯和0.6 mL 10% Na2CO3加入1.0 g磨碎的樣品攪拌均勻,經(jīng)3500 r/min離心,收集有機(jī)層,重復(fù)操作并收集提取液,待測。

    3 結(jié)果與討論

    3.1 自組裝時(shí)間及雜交時(shí)間的選擇

    考察了ssDNA自組裝時(shí)間(圖2,曲線a)及互補(bǔ)DNA雜交時(shí)間(圖2,曲線b)對電極電化學(xué)響應(yīng)信號強(qiáng)度的影響。當(dāng)ssDNA濃度為1.0×105 mol/L時(shí),響應(yīng)信號隨自組裝時(shí)間延長而明顯降低,

    當(dāng)自組裝時(shí)間超過120 min后,響應(yīng)信號強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,表明自組裝過程達(dá)到飽和。將上述修飾電極置于1.0×105 mol/L互補(bǔ)鏈溶液中進(jìn)行孵育雜交,隨著雜交時(shí)間延長,響應(yīng)信號強(qiáng)度逐漸下降,于120 min后趨于穩(wěn)定。因此選擇自組裝時(shí)間及雜交時(shí)間均為120 min。

    3.2 dsDNA與西馬特羅相互作用研究

    利用紫外-可見吸收光譜法研究了西馬特羅與dsDNA之間的相互作用。作用時(shí)間對CIM-dsDNA復(fù)合物形成的影響如圖3A所示,修飾電極響應(yīng)信號強(qiáng)度隨著孵育時(shí)間的延長而顯著降低,表明隨著孵育時(shí)間延長,越來越多的西馬特羅與dsDNA結(jié)合,當(dāng)孵育時(shí)間達(dá)到210 min后, 西馬特羅的結(jié)合量達(dá)到飽和,響應(yīng)信號強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。因此,后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇西馬特羅與dsDNA的作用時(shí)間為210 min。 以Tris-HCl為緩沖液,分別研究了1.2 × 107mol/L西馬特羅溶液、1.2 × 107 mol/L dsDNA溶液及1.2 × 107 mol/L 西馬特羅-dsDNA復(fù)合物溶液的吸收光譜(圖3B)。結(jié)果表明,西馬特羅在320 nm處有明顯的紫外吸收,而dsDNA在290 nm處有最大吸收,西馬特羅與dsDNA相互結(jié)合后,西馬特羅-dsDNA (CIM-dsDNA) 復(fù)合物最大吸收波長位于320 nm,同時(shí)其最大吸收峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng),表明dsDNA與西馬特羅通過弱作用力相互結(jié)合,無新官能團(tuán)產(chǎn)生。上述結(jié)論與文獻(xiàn)[26]相同。

    3.3 聚合條件的選擇

    以洗脫效果、印跡膜穩(wěn)定性及識別效果為考察標(biāo)準(zhǔn),利用DPV研究了聚合物底液中模板分子西馬特羅與功能單體(鄰苯二胺)的配比、掃描速率和電聚合掃描圈數(shù)的影響。掃速及掃描圈數(shù)直接影響印跡膜的厚度及致密度,進(jìn)而影響洗脫效果及識別效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在1.0 × 105 mol/L ssDNA、1.0 × 105 mol/L互補(bǔ)鏈及4.6 × 105mol/L西馬特羅條件下,使用1.0 × 104 mol/L o-PD作為功能單體、掃描速率為0.05 mV/s、電聚合掃描圈數(shù)為25圈時(shí),傳感器對目標(biāo)分子響應(yīng)效果最佳。

    3.4 DNA/MIPs及DNA/nMIPs傳感器對西馬特羅的響應(yīng)

    為驗(yàn)證DNA/MIPs傳感器對西馬特羅的識別響應(yīng),對傳感器制備過程中的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。如圖4A所示,裸金電極(曲線a)具有良好的導(dǎo)電性,而dsDNA(曲線b)及西馬特羅-dsDNA復(fù)合物(曲線c)在電極表面組裝后,修飾電極響應(yīng)信號強(qiáng)度隨修飾物的增加而減弱。繼續(xù)聚合一層致密的聚o-PD層后,由于聚合物層的存在, 嚴(yán)重阻礙了電子的傳遞,響應(yīng)信號強(qiáng)度急劇下降(曲線d)。洗脫西馬特羅后,印跡孔穴可以作為電子傳遞的通道,響應(yīng)信號增強(qiáng)(曲線e); 當(dāng)重吸附不同濃度西馬特羅后,西馬特羅重新占據(jù)印跡孔穴通道而阻礙電子傳遞,響應(yīng)信號強(qiáng)度隨西馬特羅濃度增加而降低(曲線f和曲線g)。上述結(jié)果表明,本方法制備的印跡材料能夠識別西馬特羅。

    為了進(jìn)一步證明上述結(jié)論,利用交流阻抗法對上述過程進(jìn)行了研究(圖4B),當(dāng)dsDNA-西馬特羅復(fù)合物修飾在裸金電極表面后(曲線b),其阻抗值較裸電極(曲線a)明顯增加,聚合后,由于存在致密的、導(dǎo)電性差的聚合物膜,阻礙了電子的傳遞過程, 因此敏感膜阻抗值較CIM-dsDNA修飾電極明顯增大(曲線c); 洗脫目標(biāo)分子后,由于印跡孔穴可以作為電子傳遞的通道,因此阻抗值降低(曲線d),而重吸附西馬特羅后,印跡孔穴通道被堵塞,敏感膜阻抗值增加(曲線e)。綜上,本方法制備得到的印跡聚合物材料對西馬特羅有識別能力,所得結(jié)論與DPV響應(yīng)結(jié)論一致。

    為了排除物理吸附的干擾,研究了非分子印跡膜DNA/nMIPs傳感器對目標(biāo)分子西馬特羅的識別能力。如圖4C所示,將dsDNA修飾在電極表面后,探針分子響應(yīng)明顯(曲線a)。電聚合后,由于致密的聚合物膜存在,修飾電極響應(yīng)信號強(qiáng)度急劇降低(曲線b),而洗脫后,修飾電極響應(yīng)信號強(qiáng)度無較大變化(曲線c),重吸附西馬特羅后,修飾電極響應(yīng)信號強(qiáng)度仍無明顯變化(曲線d),這是因?yàn)榫酆线^程中未加入西馬特羅,因此洗脫后無任何印跡孔穴產(chǎn)生,即不會產(chǎn)生探針分子到達(dá)電極表面的通道,因而響應(yīng)信號基本無變化。重吸附后,西馬特羅不能穩(wěn)定存在于敏感膜表面,因此響應(yīng)信號無明顯變化。上述研究表明DNA/nMIPs修飾電極對西馬特羅無任何響應(yīng)。

    3.5 分子印跡聚合物膜形貌表征

    利用掃描電鏡(SEM)對金電極表面電聚合制備的dsDNA/MIPs敏感膜進(jìn)行了形貌分析,如圖5所示,電極表面的分子印跡膜覆蓋較為完整,分布較為致密。

    3.6 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

    綜合考慮洗脫效果、印跡材料穩(wěn)定性、 DNA雙鏈結(jié)構(gòu)的影響等因素,分別以乙醇、甲醇、二甲亞砜、乙酸、HNO3-H2O混合液(1∶1,V/V)、乙醇-乙酸混合液(8∶1,V/V)、甲醇-乙酸混合液(8∶1,V/V)作為洗脫劑, 考察洗脫效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,以乙醇-乙酸混合液(8∶1,V/V)作為洗脫液,洗脫時(shí)間較短,對印跡膜的穩(wěn)定性影響最小。同時(shí),隨著洗脫時(shí)間延長,傳感器響應(yīng)信號強(qiáng)度逐漸增大,表明越來越多的目標(biāo)分子被洗脫,當(dāng)洗脫時(shí)間超過35 min后,傳感器響應(yīng)信號強(qiáng)度不再變化,并趨于穩(wěn)定,因此選擇最佳洗脫時(shí)間為35 min。

    傳感器對西馬特羅的識別過程中,不僅要滿足dsDNA對其的構(gòu)象識別,同時(shí)也要滿足印跡孔穴對其結(jié)構(gòu)、大小及作用位點(diǎn)的互補(bǔ)識別??疾炝酥匚綍r(shí)間對識別4.6× 1010 mol/L西馬特羅的影響,結(jié)果表明,隨著重吸附時(shí)間延長,傳感器響應(yīng)信號強(qiáng)度逐漸降低,并于45 min后趨于穩(wěn)定,表明西馬特羅與dsDNA的結(jié)合及印跡孔穴的結(jié)合達(dá)到飽和。因此選擇重吸附飽和時(shí)間為45 min。

    3.7 傳感器對西馬特羅的分析性能

    在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,考察了傳感器對不同濃度的西馬特羅溶液響應(yīng)情況(圖6)。西馬特羅的濃度在1.0×1013~1.0×1010 mol/L范圍內(nèi),隨著濃度增大,傳感器響應(yīng)信號強(qiáng)度逐漸降低,且傳感器響應(yīng)信號強(qiáng)度與西馬特羅濃度呈線性關(guān)系,線性方程為Δi(μA)=9.255lgC-87.47,相關(guān)系數(shù)r=0.9960, 檢出限(3S/K)為3.2×1014 mol/L (0.007 ng/L)。與已報(bào)道方法相比,本方法具有較高的靈敏度(表1)。

    3.10 實(shí)際樣品分析

    按照2.4節(jié)的方法對豬肉樣品進(jìn)行處理,將DNA/MIPs傳感器與樣品待測液孵育45 min,記錄電化學(xué)響應(yīng)信號值。同時(shí),進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)(樣品2加標(biāo)后超出檢測范圍,經(jīng)稀釋后檢測)。結(jié)果如表2所示,DNA/MIPs傳感器對西馬特羅測定結(jié)果的回收率為94.0%~105.5%,與HPLC法所得結(jié)果一致[31],表明此傳感器可應(yīng)用于豬肉樣品中西馬特羅檢測。

    4 結(jié) 論

    將dsDNA-有機(jī)分子的嵌合作用與分子印跡技術(shù)相結(jié)合,以固化分子印跡孔穴內(nèi)模板分子的空間排列,有效提高了分子印跡膜的識別能力。本傳感器構(gòu)建策略適用于可與DNA進(jìn)行溝槽式結(jié)合的有機(jī)分子的分離測定,為食品等復(fù)雜樣品分析檢測提供了一種新方法。

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