利用低生物背景SERS適配體傳感器快速檢測恩諾沙星的研究

李岑 王盼雪 王麗 邢招娣 李國梁

文章編號：2096-398X2024）03-0083-08

（1.陜西科技大學 食品科學與工程學院， 陜西 西安 710021; 2.譜尼測試集團陜西有限公司， 陜西 西安 710018）

摘 要：利用表面增強拉曼光譜（Surface Enhanced Raman Spectroscopy，SERS）技術檢測抗生素殘留操作簡便、用時短，但易受樣品基質(zhì)的干擾.本研究選用特征信號位于生物樣品拉曼信號沉默區(qū)的報告物4-MBN作為信號分子，構(gòu)建SERS探針，以適配體（Aptamer，Apt）功能化的Fe3O4納米顆粒作為捕獲探針，通過SERS探針中的互補DNA（complementary DNA， cDNA）和捕獲探針中的Apt互補雜交，構(gòu)建復合探針.當恩諾沙星存在時，復合探針中的適配體與其特異性結(jié)合，釋放出SERS探針.SERS探針上4-MBN位于2 227 cm-1拉曼位移處的特征SERS信號的強度與恩諾沙星濃度的對數(shù)值在1～500 nM范圍內(nèi)具有良好的線性相關關系，決定系數(shù)為0.99，檢出限為0.07 nM.該傳感器檢測魚肉和豬肉中恩諾沙星的回收率為84.0%～109.0%，相對標準偏差為0.2%～0.8%.研究結(jié)果為復雜基質(zhì)中恩諾沙星的快速檢測提供了一種新方法.

關鍵詞：恩諾沙星； 快速檢測； 表面增強拉曼光譜； 低生物背景； 適配體

中圖分類號：TS207.3??? 文獻標志碼： A

Study on rapid detection of enrofloxacin using lowbiological background SERS aptasensor

LI Cen1， WANG Pan-xue1*， WANG Li1， XING hao-di2， LI Guo-liang1

1.School of Food Science and Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021， China； 2.Pini Testing Group Shaanxi Co.， Ltd.， Xi′an 710018， China）

Abstract：Determination of antibiotic residues using surface enhanced Raman spectroscopy SERS） based methods is simple to operate and time-efficient，but susceptible to the interference of the sample matrix.In this study，4-MBN which has characteristic signal in the biological samples Raman signal silent region is used as the signal molecule to construct the SERS probe.Fe3O4 nanoparticles functionalized with aptamer Apt） are used as the capture probe.And the SERS probe and the capture probe are used to assemble a composite probe through the hybridization of the complementary DNA cDNA） in the SERS probe and Apt in the capture probe.In the presence of enrofloxacin，the aptamer in the composite probe binds specifically to enrofloxacin，leading to the release of the SERS probe.The intensity of the characteristic SERS signal of 4-MBN at the Raman shift of 2 227 cm-1 shows a good linear correlation with the logarithm value of enrofloxacin concentration in the range of 1～500 nM，with a determination coefficient of 0.99 and a detection limit of 0.07 nM.The recovery rate of enrofloxacin detection in fish and pork is between 84.0%～109.0%，and the relative standard deviation is varied in 0.2%～0.8%.The results provide a new method for the rapid detection of enrofloxacin in complex matrices.

Key words：enrofloxacin； rapid detection； surface enhanced Raman spectroscopy； low biological background； aptamer

0 引言

恩諾沙星（Enrofloxacin，ENR）是一種第三代氟喹諾酮類抗生素，通過與細菌的DNA結(jié)合來抑制細菌的生長繁殖［1，2］.由于恩諾沙星具有高生物利用度和低毒性的優(yōu)點，現(xiàn)已作為動物專用的廣譜抗生素，被廣泛用于規(guī)?；?、集約化的牲畜和水產(chǎn)養(yǎng)殖中［3，4］.然而，養(yǎng)殖業(yè)中對恩諾沙星的誤用和濫用，導致其在動物源食品中的殘留量超標［5］.研究發(fā)現(xiàn)，人體長期攝入恩諾沙星殘留超標的食物，輕則引起消化系統(tǒng)功能紊亂，產(chǎn)生過敏反應；重則造成肝、腎功能性損傷.此外，恩諾沙星也容易誘導細菌耐藥性的產(chǎn)生，進而影響氟喹諾酮類藥物對人類疾病的治療效果［6-8］.

目前，我國檢測食品中恩諾沙星的標準方法為高效液相色譜法.該方法需先將樣品破碎、均質(zhì)，經(jīng)提取和脫脂后，利用C18固相萃取柱進行高效液相色譜檢測［9］.該方法檢測結(jié)果準確，但耗時較長、有機試劑用量大，需要進行復雜的樣品預處理過程，難以實現(xiàn)快速現(xiàn)場檢測［10-12］.SERS技術具有操作簡便、響應速度、靈敏度高、可以用于現(xiàn)場檢測等優(yōu)點，在抗生素殘留的檢測中受到了廣泛的關注［13，14］.然而，現(xiàn)有的恩諾沙星SERS檢測方法易受樣品基質(zhì)的干擾，難以實現(xiàn)復雜基質(zhì)中恩諾沙星殘留量的準確、靈敏檢測［15，16］.因此，本研究利用適配體修飾的磁性納米顆粒和低生物背景SERS探針建立了一種靈敏、快速的恩諾沙星SERS適配體傳感器.該傳感器利用拉曼信號分子4-MBN位于生物樣品拉曼信號沉默區(qū)的特征SERS信號可以實現(xiàn)復雜基質(zhì)中恩諾沙星的快速靈敏檢測和定量分析.研究結(jié)果為復雜基質(zhì)中抗生素殘留的快速檢測提供了新思路.

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 主要試劑

四水合氯金酸（HAuCl4·4H2O）購自上海源葉生物科技有限公司；4-巰基苯甲腈（C7H5NS）、恩諾沙星（C19H22FN3O3）、正丁醇（C4H10O）購自阿拉丁生物科技有限公司；三（2-甲酰乙基）膦鹽酸鹽（C9H15O6P·HCl）、檸檬酸鈉（C6H5Na3O7·2H2O）、氯化鈉（NaCl）、氫氧化鈉（NaOH）購自國藥集團化學試劑有限公司；上述化學試劑均為分析純.

磁性納米粒子（Fe3O4 NPs）、適配體（Apt）、互補DNA（cDNA）購自上海生工生物工程技術有限公司.Apt序列：5′-NH2C6-CCC ATC AGG GGG CTA GGC TAA CAC GGT TCG GCT CTC TGA GCC CGG GTT ATT TCA GGG GGA-3′；cDNA序列：5′-HSC6-TCC CCC TGA AAT AAC CCG-3′.

1.1.2 主要儀器

便攜式拉曼光譜儀（BWS465-785）：美國 B＆W Tek.Inc.公司；紫外可見分光光度計（Evolution 201）：賽默飛世爾科技有限公司；納米粒度及eta電位分析儀（安東帕 Litesizer 500）：奧地利 Anton Paar公司；恒溫磁力攪拌器（MYP11-2A）：上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；超聲清洗器（H5200DE）：昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司；恒溫振蕩器（TH-98A）：上海一恒科學儀器有限公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 捕獲探針的制備

采用Yang等［17］報道的方法制備捕獲探針Fe3O4 NPs@Apt.首先，取40 μL 5 mg/mL Fe3O4 NPs用PBS 10 mM，PH=7.4） 緩沖液清洗三次并分散在100 μL PBS緩沖液中.然后，分別加入30 μL 40 mM 1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亞胺（EDC）和30 μL 100 mM N-羥基丁二酰亞胺（NHS），渦旋混勻后在室溫下靜置30 min，以激活Fe3O4 NPs表面羧基，磁選收集活化的Fe3O4 NPs.接著，加入40 μL PBS重懸Fe3O4 NPs，并加入1 μL 100 μM適配體，37 ℃振蕩孵育3 h.隨后，用100 μL PBS洗滌Fe3O4 NPs@Apt三次，除去未結(jié)合的適配體.最后，將磁選后的捕獲探針重新分散在100 μL Tris-HCl 10 mM Tris-HCl，1 mM EDTA，pH 7.4） 中，4 ℃保存?zhèn)溆?

1.2.2 SERS探針的制備

根據(jù)Wang等［18］報道的方法制備Au NPs溶膠.簡而言之，在100 mL錐形瓶中加入30 mL去離子水和300 μL HAuCl4·4H2O1%，w/v），置于磁力攪拌器上以1 400 rpm的速度攪拌并快速加熱至沸騰.溶液沸騰后，立即加入180 μL 1%，w/v） 檸檬酸鈉溶液并繼續(xù)加熱和攪拌，直至膠體顏色變?yōu)榫萍t色后停止加熱和攪拌.制備的Au NPs溶膠在室溫下冷卻，4 ℃保存?zhèn)溆?

利用丁醇瞬間脫水法制備SERS探針Au NPs@4-MBN/cDNA［19］.首先，將8 μL 100 μM cDNA溶液與10 μL 100 mM三（2-羧乙基）膦（TCEP）室溫下混合孵育30 min以激活二硫鍵.然后，取85 μL Au NPs溶膠與1 μL 50 μM cDNA溶液混合，室溫下孵育20 min后，向混合物中添加4 μL 150 mM NaCl和10 μL 10 μM 4-MBN.室溫靜置5 min后，向混合液中加入900 μL正丁醇并用渦旋混合器混合均勻.接著，向上述混合液中加入200 μL 0.5×TBE 45 mM Tris-硼酸 1 mM EDTA，pH 8.0） 緩沖液，繼續(xù)渦旋混合數(shù)秒以促進相分離.最后，將混合液在6 500 rpm下離心5 min，除去上清液后沉淀物用去離子水重復清洗三次，4 ℃下保存?zhèn)溆?

1.2.3 SERS檢測

首先，取40 μL捕獲探針Fe3O4 NPs@Apt加入70 μL SERS探針Au NPs@4-MBN/cDNA中，渦旋混勻，在37 ℃孵育1 h.反應完成后，磁選分離制備好的復合探針，用去離子水清洗三次.最后，加入70 μL Tris-HCl緩沖液重懸復合探針，4 ℃保存?zhèn)溆?

檢測恩諾沙星時，首先，取30 μL樣品加入70 μL復合探針，渦旋混勻，37 ℃下孵育1 h.然后，在外源磁場作用下，將上清液轉(zhuǎn)入新的1.5 mL離心管中，6 500 rpm離心5 min，收集SERS探針并加入10 μL去離子水重懸.最后，取5 μL重懸的SERS探針滴在錫箔包裹的玻璃片上，室溫下干燥后采集SERS光譜.光譜采集條件為：激發(fā)波長785 nm，激光功率320 mW，積分時間10 s，積分次數(shù)2次，每個樣品采集5條代表性SERS光譜.

1.2.4 加標回收試驗

首先，取70.0 g肉樣使用絞肉機充分絞碎.然后，分別稱取5 g肉樣，加入適量恩諾沙星儲備液，使樣品中恩諾沙星的濃度分別為0.015 μg/g、0.15 μg/g和0.75 μg/g.為避免肉樣雜質(zhì)的干擾，加入20 mL Tris-HCl緩沖溶液，渦旋混勻，并超聲處理30 min.隨后，10 000 rpm離心5min，使提取液充分澄清，便于收集上清液.最后，取30 μL上清液進行SERS檢測.

2 結(jié)果與討論

2.1 檢測原理

SERS適配體傳感器檢測恩諾沙星的原理圖如圖1所示.以適配體功能化的磁性納米顆粒作為捕獲探針，以4-MBN和cDNA修飾的Au NPs作為SERS探針，利用適配體與cDNA互補雜交制備復合探針.當恩諾沙星存在時，捕獲探針表面的適配體特異性捕獲恩諾沙星，并釋放出SERS探針.通過檢測上清液中SERS探針上拉曼報告分子4-MBN的SERS信號，實現(xiàn)恩諾沙星的檢測.

2.2 材料表征

利用eta電位儀、粒度分析儀及便攜式拉曼光譜儀表征制備的探針，結(jié)果如圖2所示.圖2 a） 是捕獲探針的eta電位圖，從圖中可以看出，F(xiàn)e3O4 NPs的eta電位為-2.24 mV，經(jīng)過適配體功能化后，eta電位升高至0.45 mV.該結(jié)果表明Fe3O4 NPs表面成功連接了適配體.SERS探針的表征結(jié)果如圖2b）、c）所示.由圖2b）DLS表征結(jié)果可知，Au NPs的粒徑為55 nm，修飾4-MBN和cDNA后，粒徑增至65 nm.此外，Au NPs和Au NPs@4-MBN/cDNA的eta電位測量結(jié)果如圖2c）所示.Au NPs修飾4-MBN和cDNA后，eta電位從-0.07 mV變?yōu)?0.42 mV.圖2d）給出了復合探針的SERS表征結(jié)果.從圖中可以看出，復合探針在1 074 cm-1、1 176 cm-1、1 581 cm-1和2 227 cm-1拉曼位移處有明顯的特征信號峰.其中，1 074 cm-1處的特征峰歸屬于4-MBN的苯環(huán)C-S伸縮；1 176 cm-1處的特征峰歸屬于4-MBN的C-H彎曲振動；1 581 cm-1處的特征峰歸屬于4-MBN的苯環(huán)呼吸振動；2 227 cm-1處的特征峰歸屬于4-MBN的C≡N伸縮.以上結(jié)果表明，復合探針的構(gòu)建成功.

2.3 實驗條件優(yōu)化

2.3.1 cDNA濃度的優(yōu)化

為了驗證SERS探針上cDNA的最佳負載量，分別使用20 μM、30 μM、40 μM、50 μM、60 μM、70 μM的cDNA制備SERS探針，并通過cDNA溶液與Au NPs孵育前后UV-Vis吸收值的變化確定SERS探針上cDNA的最佳負載量.從圖3可以看出，cDNA溶液與Au NPs孵育前后溶液在260 nm處吸光度的差值隨著cDNA初始濃度的升高先升高后基本不變.cDNA初始濃度在20～50 μM范圍內(nèi)，孵育前后溶液吸光值的差值隨著初始濃度的升高而增加，當cDNA初始濃度超過50 μM時，隨著cDNA濃度繼續(xù)增大時，孵育前后溶液吸光值的差值基本不變.該結(jié)果表明，選用50 μM cDNA修飾Au NPs即可實現(xiàn)最大負載量.因此，選擇cDNA的濃度為50 μM制備SERS探針.

2.3.2 4-MBN添加量的優(yōu)化

拉曼報告物4-MBN的添加量直接影響SERS檢測的靈敏度.4-MBN在2 227 cm-1拉曼位移處的C≡N的信號峰位于生物樣品拉曼沉默區(qū)，能夠避免生物基質(zhì)的干擾，以此特征峰的強度變化可以實現(xiàn)恩諾沙星的無生物背景干擾分析［20］.研究中比較了8 μL、10 μL、12 μL、14 μL、16 μL、18 μL、20 μL 1 mM 4-MBN與70 μL Au NPs@cDNA反應制備的SERS探針的信號強度，結(jié)果如圖4所示.

從圖4 a） SERS探針的SERS光譜圖中可以觀察到，拉曼位移2 227 cm-1處的SERS信號強度隨著4-MBN添加量的變化而變化.從圖4 b） 可以看出，4-MBN的添加量在8～16 μL范圍內(nèi)，拉曼位移2 227 cm-1處的SERS信號強度隨著4-MBN添加量的增加而增加.這主要是因為4-MBN添加量升高導致Au NPs表面吸附的4-MBN增多.當4-MBN添加量超過16 μL時，其SERS信號強度基本不再發(fā)生變化，表明Au NPs吸附的4-MBN已達到飽和.因此，在后續(xù)實驗中，選擇添加16 μL 4-MBN作為最佳添加量制備SERS探針.

2.3.3 捕獲探針添加量的優(yōu)化

向70 μL SERS探針中分別添加0～70 μL捕獲探針并混合均勻后在37 ℃充分孵育1.5 h.反應完成后，在外部磁鐵的輔助下分離制備好的復合探針，對上清中剩余的SERS探針進行SERS分析，結(jié)果如圖5所示.從圖5 a） 可以看出，捕獲探針的添加量對上清中SERS探針的SERS信號強度產(chǎn)生了較大的影響.在10～40 μL添加量的范圍內(nèi)，隨著捕獲探針添加量的增大，SERS探針的SERS信號強度明顯下降，當捕獲探針的添加量超過40 μL后，上清液中SERS探針的SERS信號強度很低，表明40 μL捕獲探針可以與70 μL SERS探針充分結(jié)合形成復合探針.因此，捕獲探針的最佳添加量為40 μL.

2.3.4 樣品與復合探針體積比的優(yōu)化

為了提高SERS適配體傳感器的靈敏度，優(yōu)化了樣品與復合探針的體積比.實驗中采集了樣品溶液與復合探針的體積比為1∶9、1∶4、3∶7、2∶3、1∶1、3∶2時反應后上清液的SERS光譜，結(jié)果如圖6所示.從圖6 a） 可以看出，SERS探針上4-MBN在拉曼位移2 227 cm-1處的SERS信號強度隨著樣品添加量的變化而變化.從圖6 b） 可以看出，樣品溶液與復合探針的體積比在1∶9～3∶7之間時，4-MBN在拉曼位移2 227 cm-1處的SERS信號強度隨著樣品添加量的增加而增加.在3∶7～3∶2范圍內(nèi)，4-MBN的SERS信號強度基本不再發(fā)生變化.因此，選擇樣品與復合探針體積比為3∶7.研究中對照組樣品也檢測到了較弱的SERS信號，這可能是由于體系中存在SERS探針與捕獲探針非特異性結(jié)合和SERS探針在磁分離和離心過程中的非競爭性脫落.該現(xiàn)象對檢測的影響可以通過扣除空白對照組的信號強度進行控制.

2.4 利用建立的低生物背景SERS適配體傳感器檢測恩諾沙星

為了研究所構(gòu)建的SERS適配體傳感器檢測恩諾沙星的靈敏度和定量性能，在最優(yōu)條件下，采集了不同濃度的恩諾沙星標準溶液（0.5、1、5、10、50、100、500、1 μM）與復合探針反應后上清液中SERS探針的SERS光譜，結(jié)果如圖7所示.從圖7 a） 可以看出，上清液中SERS探針的SERS信號強度隨恩諾沙星濃度的升高先升高后趨于穩(wěn)定.根據(jù)4-MBN在拉曼位移2 227 cm-1處的SERS信號強度，建立了恩諾沙星濃度的對數(shù)值與對應的上清液的SERS信號強度關系曲線，如圖7 b） 所示.

從圖7 b） 可以觀察到，在1 nM-500 nM的范圍內(nèi)，SERS探針在拉曼位移2 227 cm-1處的SERS信號強度與恩諾沙星濃度的對數(shù)值之間存在良好的線性關系，線性回歸方程為：y=1 898.159 93x+2 952.219 14，決定系數(shù)R2=0.992 48.利用最低檢出限（LOD）的計算公式LOD=3SD/k計算的LOD為0.07 nM.將所開發(fā)的SERS適配體傳感器與之前報道到的恩諾沙星的檢測方法進行了比較，結(jié)果如表1所示.通過比較發(fā)現(xiàn)，所開發(fā)的SERS適配體傳感器操作簡便、響應速度快、特征信號位于生物樣品的拉曼信號沉默區(qū)有效地避免了食品基質(zhì)的干擾、具有較高的靈敏度.因此，本研究開發(fā)的SERS適配體傳感器為復雜基質(zhì)中恩諾沙星的快速檢測提供了一種新方法.

2.5 特異性分析

以氧氟沙星、達氟沙星、氟羅沙星、環(huán)丙沙星4種氟喹諾酮類抗生素作為待測物，探究了SERS適配體傳感器對于恩諾沙星檢測的特異性（圖8）.

由圖8可知，在5種氟喹諾酮類抗生素的濃度均為1 μM的情況下，相比空白對照，建立的SERS適配體傳感器對恩諾沙星的響應信號強度最高，對其他4種同類抗生素的響應信號與對照組無顯著[HJ1.7mm]差異.結(jié)果表明，所開發(fā)的SERS適配體傳感器對恩諾沙星具有良好的特異性.

2.6 重現(xiàn)性分析

利用所建立的SERS適配體傳感器在最優(yōu)的條件下分別檢測三批獨立的恩諾沙星樣品溶液，結(jié)果如圖9所示.從圖9可以觀察到，采集的不同批次樣品的SERS光譜的峰形和特征SERS信號的強度均沒有明顯差異.結(jié)果表明，所建立的SERS適配體傳感器具有良好的重現(xiàn)性.

2.7 加標回收試驗結(jié)果

為了驗證所建立的SERS適配體傳感器在實際樣品分析中的實用性，利用所研制的SERS適配體傳感器對購買的新鮮魚肉和豬肉樣品進行了加標回收試驗.樣品中添加恩諾沙星的終濃度分別為0.015 μg/g、0.15 μg/g、0.75 μg/g.表2給出了魚肉和豬肉樣品的加標回收試驗檢測結(jié)果.從表2可以看出，未加標的魚肉和豬肉樣品中未檢出恩諾沙星，而加標樣品中恩諾沙星的回收率為84.0%～109.0%，RSD為0.2%～0.8%（n=3）.該結(jié)果表明，建立的SERS適配體傳感器對于肉類樣品中恩諾沙星的檢測具有良好的準確性和穩(wěn)定性.

3 結(jié)論

本研究通過適配體和其cDNA雜交將磁性捕獲探針和低生物背景SERS探針組裝為復合探針，結(jié)合SERS技術，建立了一種恩諾沙星的低生物背景SERS適配體傳感器.當恩諾沙星存在時，復合探針中的適配體與其特異性結(jié)合，釋放出SERS探針.當恩諾沙星的濃度在1～500 nM范圍內(nèi)時，SERS探針位于2 227 cm-1拉曼位移處的特征SERS信號強度與恩諾沙星濃度的對數(shù)值呈現(xiàn)良好的線性相關關系，R2為0.99.該方法的LOD為0.07 nM，檢測肉類樣品中恩諾沙星的回收率在84.0%～109.0%之間，RSD為0.2%～0.8%.因此，本研究開發(fā)的SERS適配體傳感器在恩諾沙星的檢測中具有較高的靈敏度和特異性，為復雜樣品中抗生素的快速檢測提供了新思路.

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【責任編輯：蔣亞儒】

基金項目：國家自然科學基金項目32102063）； 陜西科技大學高水平博士人才科研啟動基金項目2017BJ-51）； 陜西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（S20210708054）

作者簡介：李 岑（2001—），男，四川廣安人，在讀碩士研究生，研究方向：食品質(zhì)量與安全檢測

通訊作者：王盼雪（1988—），女，河北邯鄲人，副教授，博士，研究方向：食品質(zhì)量與安全檢測，wangpanxue@sust.edu.cn