基于鉑@金納米線作為信號放大物的電化學(xué)適體傳感器檢測黃曲霉毒素

劉俊桃，劉志景，李曉江，馬志偉

（河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院理學(xué)部，河南鄭州 450000）

作為黃曲霉毒素家族（B1、B2、G1、G2、M1、M2、GM、P1、Q1等）中的一員，黃曲霉毒素B1（AFB1）毒性最強[1-2]。農(nóng)產(chǎn)品（花生、玉米）和許多其他食品均易受到AFB1 污染，研究結(jié)果表明，AFB1 有很強的致癌、致畸和致突變性，因此，為了保障人體健康，眾多國家和組織對其殘留量均有明確的限量標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。準(zhǔn)確檢測AFB1 含量對保障食品安全和經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展具有重要意義[5-7]。目前，檢測AFB1 的方法主要是色譜以及色譜質(zhì)譜聯(lián)用法[8-11]，但是該類方法普遍面臨著需要昂貴的儀器設(shè)備和專業(yè)的技術(shù)人員的問題，主要在實驗室中開展。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及農(nóng)產(chǎn)品的增產(chǎn)，對AFB1 的檢測尤其是對現(xiàn)場快速靈敏檢測提出更高要求[12-13]。

電化學(xué)傳感器因其所用儀器小型、靈敏度高，在現(xiàn)場檢測中具有潛在的應(yīng)用價值[14]，因此開發(fā)靈敏度高、選擇性高的電化學(xué)分析方法具有一定的研究意義。為了提高電化學(xué)分析方法的靈敏度，納米材料常被應(yīng)用于修飾電極以便提高其電催化性能從而獲得更低的檢測限，如碳基材料、金屬有機(jī)框架材料、導(dǎo)電聚合物、金屬及金屬氧化物[15-17]。其中一維納米線材料因其具有比表面積大，催化性能強等優(yōu)點受到研究者的廣泛關(guān)注，尤其是貴金屬（金、鉑、銀等）納米線[18-19]。研究表明，相對于單一金屬組成的納米線，雙金屬納米線能夠基于兩種材料的協(xié)同作用提高催化效果，因此催化性能普遍高于單一金屬材料[20-21]。使用雙金屬納米線能提高電化學(xué)傳感器的靈敏度，但其電催化能力卻面臨選擇性仍需進(jìn)一步提高的特點[22-23]，為了解決納米材料在應(yīng)用過程中雖具有好的電催化性能，但選擇性不高的問題，生物識別單元被引入到傳感器中以提高方法的選擇性。在傳感器的制備過程中常使用酶、抗體等生物材料，但生物材料多存在著易失活、價格昂貴、穩(wěn)定性有待提高的問題[24-26]。因此適配體的研究應(yīng)運而生。近年來，基于指數(shù)富集配件系統(tǒng)（SELEX）技術(shù)篩選的適配體因其易于修飾、制備方法簡單、易于批量生產(chǎn)，穩(wěn)定性和特異性好，逐漸應(yīng)用到傳感器中以提高分析方法的選擇性，改善傳感器的分析性能[27-30]。

基于此，為了提高方法的選擇性和材料的電催化性能，本實驗采用黃曲霉毒素的適配體作為識別單元，將雙金屬Pt@AuNws 作為信號放大物（以提高其電催化性能）引入電化學(xué)傳感器的構(gòu)建中，基于競爭作用，建立間接檢測AFB1 含量的分析方法，分別考察cDNA 濃度、適配體孵育時間、H2O2濃度、緩沖液pH 等因素對檢測性能的影響，以期獲得選擇性好，靈敏度高的電化學(xué)適配體傳感器，并在花生樣品測定中驗證構(gòu)建的電化學(xué)適配體傳感器的應(yīng)用價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

亞碲酸鈉（Na2TeO3） 武漢吉鑫益邦生物科技公司；聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、水合肼（N2H4·H2O）、巰基乙醇（MCH）、乙二胺四乙酸鈉鹽（EDTA）、抗壞血酸（AA）、鐵氰化鉀（K3Fe（CN）6）、無水乙醇、氨水、乙二醇 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氯金酸（HAuCl4·4H2O） 美國Sigma 公司；氯鉑酸（H2PtCl6）阿拉丁生化科技公司；上述試劑均為分析純，無需提純直接應(yīng)用后續(xù)實驗；適配體、互補鏈 上海生工生物工程技術(shù)公司，互補鏈序列為5'-SH-（CH2）6-GCATCACTACAGTCATTACGCATCGGGTAAG CGGAACTGAGGAGTGGGAGGTAAATCGTG TGAAGTGCTGTCCC -3'，下文簡稱cDNA；適配體序列為5'-NH2-（CH2）6-GTTGGGCACGTGTTGTC TCTCTGTTCGCCTTCGCTAGGCCCA CA-3'，下文簡稱apt；無殼生花生米采集于學(xué)校超市。

CHI660E 型電化學(xué)工作站 上海辰華儀器有限公司，電化學(xué)測試中使用三電極體系：玻碳電極以及修飾玻碳電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲為對電極；CD-D10 型超聲波清洗儀 亦為超聲技術(shù)有限公司；TGL-16M 型離心機(jī) 山東歐萊博醫(yī)療有限公司；DS-37 型高溫干燥箱 上海燈晟儀器有限公司；ZWYR-D2403 型恒溫培養(yǎng)振蕩器 上海智城分析儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 Pt@AuNWs 的制備 參考文獻(xiàn)[31-32]合成Pt@AuNWs，具體方法如下：取0.0406 g Na2TeO3和0.4524 g PVP 溶解于13.5 mL 蒸餾水中，劇烈攪拌下加入0.675 mL N2H4·H2O（w/w，50%）及1.35 mL NH3·H2O（w/w，25%）。充分?jǐn)嚢杌靹蚝螅瑢⒒旌先芤褐糜诜磻?yīng)釜中于180 ℃反應(yīng)4 h，冷卻后制得產(chǎn)物，將所得產(chǎn)物進(jìn)行離心洗滌，得到Te 納米線（TeNWs）。將其加入2 mL 蒸餾水分散以備后續(xù)使用。

將2 mL TeNWs 加入30 mL 乙二醇中，持續(xù)攪拌下加入0.32 mL EDTA（0.2 mol/L）及0.32 mL HAuCl4（0.1 mol/L）。放置在室溫反應(yīng)1 h 后，將所得產(chǎn)物離心洗滌數(shù)次，得到Au 納米線（AuNWs），分散于蒸餾水以備后續(xù)使用。之后將AuNWs 與PVP一同加入蒸餾水中攪拌10 min。之后向混合溶液中依次迅速地加入1.6 mL H2PtCl6（w/w，50%）及2 mL AA（0.1 mol/L），放置在60 ℃水浴中反應(yīng)2 h，可得到Pt@AuNWs，隨后將所得材料離心洗滌數(shù)次，并分散于3 mL 蒸餾水中，于4 ℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 Pt@AuNWs-apt 復(fù)合物的制備 取11 μL 100 μmol/L 的apt，將其加入到489 μL 0.1 mol/L PBS（pH7）中稀釋apt。稀釋后將其加入到1 mL Pt@AuNWs 溶液中，于4 ℃下攪拌過夜。接著加入1 mL 10.2 mmol/L MCH 繼續(xù)攪拌30 min，用來封閉Pt@AuNWs 上未被固載的活性位點，得到Pt@AuNWs-apt 復(fù)合物，再將其離心洗滌重新分散于無菌水中，于4 ℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 電化學(xué)適配體傳感器制備 首先將玻碳電極（直徑3 mm）依次用1、0.5、0.05 μm Al2O3粉拋光，用無水乙醇及蒸餾水超聲洗滌30 s 后干燥。將打磨好的工作電極、鉑電極及飽和甘汞電極組成三電極系統(tǒng)，置于5 mmol/L K3Fe（CN）6中，采用循環(huán)伏安法（CV）進(jìn)行測定，若電位差≤80 V 可進(jìn)行后續(xù)操作。其次將電極置于0.4 g/L 的HAuCl4的溶液中，使用恒電位沉積法（I-t）在-0.2 V 將AuNPs 修飾在電極表面（AuNPs/GC），隨后，將10 μL 0.25 nmol/L cDNA 滴涂在電極表面37℃孵育1 h，使含有巰基的cDNA 通過Au-S 自組裝在電極表面（cDNA/AuNPs/GC），孵育后使用無菌水將表面洗凈干燥，隨后用10.2 mmol/L MCH 封閉殘余活性位點約1 h（MCH/cDNA/AuNPs/GC），最后將Pt@AuNWs-apt 復(fù)合物滴加在電極表面（Pt@AuNWs-apt/cDNA/AuNPs/GC）。具體制作過程見圖1。將所制得適體傳感器儲存于4 ℃?zhèn)溆谩?/p>

圖1 電化學(xué)適體傳感器的制備流程Fig.1 Construction process of the electrochemical aptasensor

1.2.4 電化學(xué)適配體傳感器可行性探究 首先將制備好的傳感器使用差分脈沖伏安法（DPV）在10 mmol/L H2O2中記錄信號，然后在傳感器上滴加10 μL 10 ng/mL 的AFB1 孵育并記錄信號，比較兩者的電流信號。

1.2.5 Pt@AuNWs 的電催化性能探究 采用類似

1.2.3 中的方法制備兩組傳感器，實驗組納米材料為Pt@AuNWs，對照組為AuNWs，其他構(gòu)建傳感器過程均相同。將傳感器置于10 mmol/L H2O2中進(jìn)行DPV 測試，記錄兩組電流信號。

1.2.6 電極修飾過程的表征 首先使用CV 法在5 mmol/L 的K3Fe（CN）6中對電極的逐步修飾過程進(jìn)行測試，接下來采用交流阻抗掃描法（EIS）對電極的逐步修飾過程進(jìn)行測試。

1.2.7 檢測條件的優(yōu)化

1.2.7.1 cDNA 濃度的選擇 將拋光后的電極置于0.4 g/L 的HAuCl4中，在-0.2 V 的恒電位下將AuNPs沉積在電極表面，其次將10 μL 不同濃度（0.1、0.2、0.25、0.5、1.0 nmol/L）的cDNA 溶液滴涂在電極表面，置于37 ℃孵育1 h，接下來清洗電極表面并干燥后，然后將10 μL Pt@AuNWs-apt 復(fù)合物滴加在電極表面孵育，最后在傳感器上滴加10 μL 10 ng/mL的AFB1 孵育后，將傳感器置于10 mmol/L H2O2溶液中進(jìn)行DPV 測試。

1.2.7.2 適配體和互補鏈孵育時間的選擇 處理思路同1.2.7.1，在電極表面滴加10 μL Pt@AuNWsapt 復(fù)合物后，孵育不同的時間（10、20、30、40、50 min），最后在傳感器上滴加10 μL 10 ng/mL AFB1孵育，將傳感器置于10 mmol/L H2O2溶液中進(jìn)行DPV 測試。

1.2.7.3 測試底液pH 的選擇 處理思路同1.2.7.1，將制備好的電極在10 μL 10 ng/mL 的AFB1 孵育后，置于10 mmol/L H2O2溶液中（pH 分別為5、6、7、8、9）進(jìn)行DPV 測試。

1.2.7.4 測試底液濃度的選擇 處理思路同1.2.7.1，將制備好的電極在10 μL 10 ng/mL 的AFB1 孵育后，置于pH7 的不同濃度的H2O2溶液中（濃度分別為5、8、10、15、20 mmol/L）進(jìn)行DPV 測試。

1.2.8 選擇性、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性 選擇性的探究：將制備好的電極依次在1 μg/mL 單端孢霉烯（T-2 毒素），1 μg/mL 嘔吐毒素（DON），1 μg/mL 赭曲霉毒素（OTA）及100 ng/mL AFB1 與上述三者混合液中，進(jìn)行DPV 測試。

重現(xiàn)性的探究：記錄5 支適配體傳感器在10 mmol/L H2O2中的DPV 信號。

穩(wěn)定性的探究：將所構(gòu)建的傳感器儲存于4℃條件下，分別記錄1、3、5、7、14 d 后在10 mmol/L H2O2中的DPV 信號。

1.2.9 花生樣品的制備及檢測 準(zhǔn)確稱取5.0000 g花生，將花生用研缽和杵磨成細(xì)粉，使其尺寸不大于1 mm 并通過2.0 mm 圓孔篩碎粒。用14 mL 甲醇和6 mL 超純水混合制備萃取液，將花生碎加入混合恒溫培養(yǎng)振蕩器上振搖60 min。然后以6000 r/min離心10 min，取其上清液2 mL，形成最終的待測溶液。

將所構(gòu)建的適配體傳感器用于花生樣品的檢測，首先在2 mL 的待測液中檢測，然后在待測液中依次加入5、25、50 ng/mL 的AFB1，每組實驗重復(fù)3 次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將三次平行測得的數(shù)據(jù)先用Excel 表格處理，再將實驗數(shù)據(jù)圖利用Origin 2019 繪圖軟件繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 競爭型傳感器可行性探究

首先考察該方法的可行性，結(jié)果見圖2。結(jié)果表明，孵育AFB1 后，峰電流有較明顯的下降。由此可知該競爭型傳感器檢測AFB1 具有可行性。

圖2 電化學(xué)適配體傳感器孵育前（b）孵育后（a）Pt@AuNWs-Apt/cDNA/AuNPs/GC 傳感器在H2O2 溶液中的DPV響應(yīng)情況Fig.2 DPV responses of Pt@AuNWs-Apt/cDNA/AuNPs/GC in the H2O2 solution before (b) and after (a) in cubation in the AFB1

2.2 Pt@AuNWs 的電催化性能

為了探究Pt@AuNWs 的電催化性能，采用DPV法對其表征。Pt@AuNWs 的電催化性能結(jié)果見圖3。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，較之對照組（a 線），修飾有Pt@AuNWs 的傳感器（b 線）具有顯著增大的電化學(xué)信號，這主要歸因于Pt@AuNWs 對H2O2的電化學(xué)行為有顯著的電催化性能，從而使電化學(xué)信號明顯增大，該結(jié)果表明采用Pt@AuNWs 作為信號放大物構(gòu)建的電化學(xué)適配體傳感器能有效提高分析方法的靈敏度。

圖3 AuNWs-Apt/cDNA/AuNPs/GC（a）和Pt@AuNWsApt/cDNA/AuNPs/GC（b）傳感器在H2O2 溶液中的DPV 圖Fig.3 DPV responses of AuNWs-Apt/cDNA/AuNPs/GC (a)and Pt@AuNWsApt/cDNA/AuNPs/GC (b) in the H2O2 solution

2.3 電極修飾過程的電化學(xué)表征

為了探究電化學(xué)傳感器的成功構(gòu)建，首先采用CV 對其進(jìn)行表征。CV 表征結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，裸GCE（a 線）有一對明顯的氧化還原峰。采用恒電位在玻碳電極表面沉積納米金（b 線）后，由于AuNPs 具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，可加快電子傳遞，從而導(dǎo)致峰電流增大。當(dāng)繼續(xù)在電極表面修飾10 μL 0.25 nmol/L cDNA 后（c 線），由于cDNA 不導(dǎo)電，對電子傳遞有阻礙作用，導(dǎo)致峰電流減小，當(dāng)不導(dǎo)電的MCH 固載在電極表面時（d 線），峰電流繼續(xù)減小。當(dāng)孵育10 μL 0.25 nmol/L apt 后，由于堿基互補配對作用形成的復(fù)合物不導(dǎo)電，峰電流進(jìn)一步降低。由CV 結(jié)果可知，電化學(xué)適配體傳感器已經(jīng)構(gòu)建成功。

圖4 裸GCE（a），AuNPs/GCE（b），cDNA/AuNPs/GCE（c）、MCH/ cDNA/AuNPs/GCE（d）的CV 圖Fig.4 CVs cueves of GCE (a)，AuNPs/GCE (b)，cDNA/AuNPs/GCE (c)，MCH/ cDNA/AuNPs/GCE (d)

EIS 表征結(jié)果見圖5。裸GCE（a 線）表面沉積AuNPs 后，由于AuNPs 具有良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)致電極表面電子轉(zhuǎn)移加快，電阻減?。╞ 線）。當(dāng)電極表面修飾cDNA 后（簡稱cDNA/AuNPs/GCE），響應(yīng)曲線的半徑明顯增大，這主要歸因于cDNA 阻礙電子傳遞，使得電阻明顯增大（c 線）。同理，由于MCH 不導(dǎo)電，當(dāng)MCH 修飾于電極表面后（簡稱MCH/cDNA/AuNPs/GCE），響應(yīng)曲線的半徑繼續(xù)增大，電阻進(jìn)一步增大（d 線）。最后，當(dāng)電極表面修飾10 μL 0.25 nmol/L apt 后，由于形成的堿基復(fù)合物不導(dǎo)電，進(jìn)一步阻礙電子傳遞，使響應(yīng)曲線的半徑繼續(xù)增大，即電阻也繼續(xù)增大（e 線）。CV 和EIS 兩種表征方法結(jié)果一致，均證實電極逐步修飾過程的成功構(gòu)建。

圖5 裸GCE（a），AuNPs/GCE（b），cDNA/AuNPs/GCE（c），MCH/ cDNA/Au/GCE（d），apt-cDNA/ MCH/cDNA/Au/GCE（e）的EIS 圖Fig.5 EIS cueves of GCE (a)，AuNPs/GCE (b)，cDNA/Au/GCE (c)，MCH/ cDNA/Au/GCE (d)，MCH/ cDNA/Au/GCE (e)

2.4 實驗條件的優(yōu)化

為使傳感器具有更優(yōu)的分析性能，對實驗中的cDNA 濃度、適配體孵育時間、H2O2濃度、緩沖液pH 進(jìn)行優(yōu)化。在傳感器構(gòu)建過程中，cDNA 濃度對傳感器性能有重要影響。cDNA 濃度低，將使電極表面固載的適配體的量減少，cDNA 濃度過高，因其不導(dǎo)電，將造成電化學(xué)響應(yīng)信號降低，因此，濃度過高或過低均會影響方法的靈敏度。實驗中先對cDNA 濃度進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見圖6a。從圖中可知，隨著cDNA濃度的增大，電流響應(yīng)值逐漸增大并在0.25 nmol/L處達(dá)到最大值，之后峰電流開始下降。因此后續(xù)實驗中選用0.25 nmol/L cDNA 為最優(yōu)濃度。適配體和互補鏈的孵育時間將影響最終電極上負(fù)載的Pt@AuNWs 的量，會對其催化H2O2產(chǎn)生的電流響應(yīng)顯著影響。因此對兩者的孵育時間進(jìn)行考察。從圖6b 中可知，隨著孵育時間的延長，電流響應(yīng)值逐漸升高，在40 min 時峰電流出現(xiàn)最大值，隨著時間的進(jìn)一步延長峰電流開始下降。因此，后續(xù)實驗中最佳孵育時間選取為40 min。測試底液pH 對適配體和互補鏈的相互作用也有明顯的影響結(jié)果見圖6c。由圖中可以看出，隨著pH 的增大，電流信號也隨之增大，在pH7 處峰電流達(dá)到最大，隨后開始下降。因此，后續(xù)實驗中選用pH7 為最佳測試條件。測試底液中H2O2的濃度對傳感器的分析性能也有影響，結(jié)果見圖6d。從圖中可知，峰電流先隨著H2O2濃度的增大而增大，在10 mmol/L 處達(dá)到最大值，因此后續(xù)實驗過程中使用10 mmol/L H2O2作為最佳測試條件。

圖6 互補鏈濃度（a），互補鏈和適配體孵育時間（b），溶液pH（c），H2O2 濃度（d）與峰電流之間的變化關(guān)系圖Fig.6 Effect of the concentration of cDNA (a), the binding time between cDNA and AFB1 aptamer (b), the pH of the solution (c),the concentration of H2O2 (d) on the current response

2.5 適配體傳感器的標(biāo)準(zhǔn)曲線

在最優(yōu)條件下，對不同濃度的AFB1 進(jìn)行DPV檢測（圖7），結(jié)果表明，峰電流隨著AFB1 濃度的升高而降低，在0～100 ng/mL 內(nèi)有良好的線性反應(yīng)。相應(yīng)的線性方程為I （μA）=-1.2856lgc （ng/mL）+3.5782，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.9764。經(jīng)計算，該適體傳感器的檢出限0.41 ng/mL（S/N=3）。結(jié)果表明構(gòu)建的傳感器有較寬的線性范圍，檢出限較低。

圖7 檢測AFB1 的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.7 Standard vurves for AFB1 detection

2.6 適配體傳感器的選擇性、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性

適配體傳感器的選擇性如圖8a 所示，當(dāng)適體傳感器用于檢測濃度為1 μg/mL T-2 毒素，嘔吐毒素（DON），赭曲霉毒素（OTA）時，均沒有產(chǎn)生明顯的DPV 信號變化，而當(dāng)適體傳感器檢測10 ng/mL AFB1（僅為上述三種毒素濃度的1%）與上述物質(zhì)的混合物時，DPV 信號顯著變化，這表明適配體傳感器對AFB1 具有很好的選擇性。適配體傳感器的重現(xiàn)性如圖8b 所示，RSD 為3.77%，該結(jié)果表明適配體傳感器有良好的重現(xiàn)性。適配體傳感器的穩(wěn)定性見圖8c，傳感器在14 d 后測得的電信號值下降約14.6%。表明該適體傳感器具有良好的穩(wěn)定性。

2.7 花生樣品的檢測

按1.3 對實際樣品進(jìn)行前處理，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法對樣品中AFB1 的加標(biāo)回收率進(jìn)行測定。結(jié)果見表1，實驗結(jié)果表明，回收率在85.1%～88.0%，RSD≤6%，表明構(gòu)建的傳感器具有較好的回收率，可用于檢測花生中AFB1。

表1 花生待測液中AFB1 的測定結(jié)果Table 1 Determination of AFB1 in peanut solution

3 結(jié)論

綜上所述，構(gòu)建的以Pt@AuNWs 為信號放大物的電化學(xué)適配體傳感器可用于無殼花生生中AFB1含量的準(zhǔn)確、快速檢測，在0.25 nmol/L cDNA、apt與cDNA 孵育40 min、10 mmol/L H2O2、0.1 mol/L磷酸鹽濃度pH7 的測試條件下具有最優(yōu)的分析性能。Pt@AuNWs 的信號放大物的使用以及適配體識別單元的引入，使得該傳感器具有較寬的線性范圍（1～100 ng/mL）和較低的檢出限（0.41 ng/mL）。同時該傳感器具有較好的選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，在花生樣品的檢測中具有較好的回收率（85.1%～88.0%）。雖然該方法存在著制備傳感器略顯復(fù)雜的局限，但其具有檢測成本低、分析速度快的優(yōu)勢，便于后期的推廣應(yīng)用，可以作為檢測花生中AFB1 含量的一種有效手段，但目前傳感器隨著貯存時間的延長，檢測性能面臨下降的問題，如何提高傳感器的長期穩(wěn)定性是下一步研究的方向問題，以期更好的滿足現(xiàn)場檢測的需求。