符 瑩，張新愛，滕瑛巧，劉慧杰，張 文，金利通

（華東師范大學(xué)化學(xué)系，上海200062）

0 引言

大腸桿菌是水體污染程度的重要指示菌，是腸道中最普遍、數(shù)量最多的一類細(xì)菌。當(dāng)大腸桿菌由糞便尤其是腸道病患者糞便或醫(yī)院污水污染的水源排放后,它可引發(fā)傷寒、痢疾、霍亂等腸道疾病流行[1]。存在于溪流、河水、湖泊等與人類生活密切相關(guān)的環(huán)境中的大腸桿菌已經(jīng)成為人類病原存在的一個(gè)重要指標(biāo)，是環(huán)境保護(hù)、食品衛(wèi)生、飲水衛(wèi)生和流行性病學(xué)領(lǐng)域中最重要的研究對(duì)象之一。因此，水體中大腸桿菌的檢測(cè)研究對(duì)環(huán)境衛(wèi)生以及流行病學(xué)等方面都具有十分重要的意義[2～4]。

大腸桿菌的傳統(tǒng)檢測(cè)方法包括多管發(fā)酵法、濾膜法、熒光法、生物檢測(cè)法等。這些方法準(zhǔn)確度高，但是存在檢測(cè)周期長(zhǎng)、程序復(fù)雜、所需試劑繁多等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代檢測(cè)需要。電化學(xué)免疫傳感器具有簡(jiǎn)單、靈敏、快速等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了人們的廣泛關(guān)注[5～6]。該文發(fā)展了一種具有低耗、高靈敏度、高選擇性等特性的電化學(xué)免疫傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)水體中大腸桿菌的快速檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI 660電化學(xué)分析系統(tǒng)(CHI,美國(guó))；S4800型掃描電子顯微鏡(SEM，Hitachi,日本)。

多克隆E.coli抗體 (北京寶賽生物科技有限公司,中國(guó))；辣根過(guò)氧化酶標(biāo)記的大腸桿菌抗體(ab20425,Abcam,英國(guó))；大腸桿菌菌種(華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，中國(guó))；其余試劑如牛血清白蛋白(BSA,Sigma,美國(guó))等均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水，所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下操作。

1.2 免疫傳感器的制備

玻碳電極(拋光后)分別在-0.10～1.35 V 電位下和 1.0 mmol/L HAuCl4溶液中，-0.04～0.93 V 電位下和50 mmol/L鄰氨基苯甲酸溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描制得poly-o-ABA/AuNP修飾電極，然后在此電極上滴加10 μL新配制的0.40 mol/L 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺基 (EDC)和0.10 mol/L N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)混合溶液并活化 40 min。 PBS 淋洗后，加入 10 μL 100 μg/mL的大腸桿菌抗體，用10 μL 1.0 mol/L乙醇胺和10 μL 1.0%BSA來(lái)封閉未結(jié)合的羧基以避免非特異性吸附。再加入10 μL大腸桿菌標(biāo)準(zhǔn)溶液，溫育1 h。 最后，將 10 μL 100 μg/mL 辣根過(guò)氧化酶標(biāo)記的大腸桿菌抗體滴加在電極表面反應(yīng)1 h，用PBS清洗。

1.3 測(cè)試方法

三電極系統(tǒng)中以甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為輔助電極，研制的免疫傳感器為工作電極。電極在5.0 mL 1.0 mmol/L對(duì)苯二酚溶液中，以-0.40 V～1.00 V 的電位范圍進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，電流穩(wěn)定后加入 50 μL 0.48 mol/L 的 H2O2，通過(guò)響應(yīng)電流的大小來(lái)檢測(cè)大腸桿菌的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾電極的掃描電子顯微鏡(SEM)圖譜表征

圖1為poly-o-ABA/AuNP修飾電極的SEM圖譜?？梢杂^察到聚鄰氨基苯甲酸的纖維和多孔結(jié)構(gòu)以及分布于其中的金納米粒子[7]。

2.2 修飾電極的電化學(xué)阻抗譜(EIS)表征

圖1 poly-o-ABA/AuNP修飾電極的SEM圖Fig.1 Scanning electron micrograph of poly-o-ABA/AuNP modified GCE

由圖2知：相對(duì)于裸玻碳電極，AuNPs修飾電極的阻抗明顯減小，說(shuō)明AuNPs有效地促進(jìn)了電子的傳遞。而poly-o-ABA修飾電極的阻抗明顯增大，表明poly-o-ABA的導(dǎo)電性比較差，阻礙了電子的傳遞[8～9]。在圖2的曲線d中，poly-o-ABA/AuNP修飾電極的阻抗介于納米金與聚鄰氨基苯甲酸之間。依次加上大腸桿菌抗體、大腸桿菌、辣根過(guò)氧化酶標(biāo)記的抗體后，阻抗值逐漸增加，證明大腸桿菌抗體、大腸桿菌和辣根過(guò)氧化酶標(biāo)記的抗體均被固載到poly-o-ABA/AuNP修飾電極上[10～12]。

2.3 免疫傳感器上酶的電化學(xué)行為

圖3為在免疫傳感器中分別加入10 μL大腸桿菌抗體和10 μL辣根過(guò)氧化酶標(biāo)記抗體并培養(yǎng)1 h，再放入10 mL 1.0 mmol/L對(duì)苯二酚的PBS溶液，檢測(cè)得到循環(huán)伏安圖 (a)。加入1.6 mmol/L的H2O2后，(b)中響應(yīng)電流增加，顯示出明顯的電催化過(guò)程。

2.4 大腸桿菌的檢測(cè)原理

圖4為poly-o-ABA/AuNP免疫傳感器的工作原理。反應(yīng)體系包括典型的夾心免疫反應(yīng)過(guò)程和特異性反應(yīng)的電化學(xué)檢測(cè)。該傳感器在1.0 mmol/L對(duì)苯二酚存在下，通過(guò)辣根過(guò)氧化酶催化底物H2O2實(shí)現(xiàn)了對(duì)大腸桿菌的檢測(cè)。

2.5 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

該實(shí)驗(yàn)研究了H2O2濃度對(duì)電流響應(yīng)的影響。由圖5知：在1.0 mmol/L對(duì)苯二酚存在的條件下， 當(dāng) H2O2濃度在 0.0至 4.8 mmol/L范圍內(nèi)時(shí)，響應(yīng)電流與H2O2濃度呈線性關(guān)系。所以在免疫檢測(cè)中，選擇4.8 mmol/L的H2O2作為檢測(cè)底液的濃度。

圖2 (a)裸玻碳電極；(b)AuNPs玻碳電極；(c)poly-o-ABA玻碳電極；(d)poly-o-ABA/AuNP玻碳電極;(e)抗體/poly-o-ABA/AuNP玻碳電極；(f)大腸桿菌/抗體/poly-o-ABA/AuNP玻碳電極；(g)辣根過(guò)氧化酶標(biāo)記抗體/大腸桿菌/抗體/poly-o-ABA/AuNP 玻碳電極在 10 mmol/L[Fe(CN)6]4-/3-(0.010 mol/L pH7.0 PBS,0.10 mol/L KCl)中的電化學(xué)阻抗譜Fig.2 EIS of different electrodes in the presence of 10 mmol/L[Fe(CN)6]4-/3-solution(0.010 mol/L pH7.0 PBS,0.10 mol/L KCl):(a)bare GCE;(b)AuNPs modified GCE;(c)poly-o-ABA modified GCE;(d)poly-o-ABA/AuNP modified GCE;(e)anti-E.coli/poly-o-ABA/AuNP modified GCE;(f)E.coli/anti-E.coli/poly-o-ABA/AuNP modified GCE;(g)HRP-anti-E.coli/E.coli/anti-E.coli/poly-o-ABA/AuNP modified GCE

圖3 在免疫傳感器中加入(a)1.0 mmol/L對(duì)苯二酚;(b)1.0 mmol/L 對(duì)苯二酚和 1.6 mmol/L H2O2的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammogram of HRP-anti-E.coli/E.coli/anti-E.coli/poly-o-ABA/AuNP modified GCE containing(a)1.0 mmol/L hydroquinone;(b)1.0 mmol/L hydroquinone and 1.6 mmol/L H2O2

考察了該傳感器在 pH5.5到 pH8.5的范圍的檢測(cè)底液中對(duì)大腸桿菌的檢測(cè)，結(jié)果表明在pH7.0時(shí)響應(yīng)電流最大，因此選擇7.0為檢測(cè)的最優(yōu)pH值。反應(yīng)時(shí)間是影響催化反應(yīng)的一個(gè)重要因素，響應(yīng)電流隨免疫反應(yīng)的時(shí)間的增加而增大，實(shí)驗(yàn)中在60 min時(shí)達(dá)到平衡，所以選擇培養(yǎng)時(shí)間為60 min。

2.6 免疫傳感器對(duì)大腸桿菌的檢測(cè)

由圖6知，免疫傳感器檢測(cè)大腸桿菌的線性范圍為 1.0×103～1.0×107cfu/mL，線性回歸方程為I(μA)=-0.38+0.22logcE.coli。 對(duì) 于 濃 度 為 1.0×104cfu/mL的大腸桿菌，每組數(shù)據(jù)測(cè)定三次，RSD為4.5%，檢測(cè)限為2×102cfu/mL。

2.7 選擇性實(shí)驗(yàn)

在大腸桿菌(1.0×104cfu/mL)溶液中，加入枯草桿菌(1.0×105cfu/mL)、酵母菌(1.0×105cfu/mL)、放線桿菌(1.0×105cfu/mL)作為干擾物，用相同的實(shí)驗(yàn)步驟考察免疫傳感器對(duì)大腸桿菌的響應(yīng)電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示響應(yīng)電流沒有顯著增加,表明該免疫傳感器具有良好的選擇性。

2.8 河水中大腸桿菌的檢測(cè)

將 1.0 L 的河水用孔徑為 0.45 μm 的濾紙過(guò)濾，富集得到的大腸桿菌溶液溶解于5.0 mL PBS(0.1 mol/L,pH7.4)中，運(yùn)用該實(shí)驗(yàn)中的方法對(duì)大腸桿菌進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示大腸桿菌的濃度為50 cfu/mL，與平板計(jì)數(shù)法(52 cfu/mL)得到的結(jié)果一致。

圖4 基于poly-o-ABA/AuNP修飾玻碳電極的免疫傳感器工作原理Fig.4 Schematic of the amperometric immunosensor based on poly-o-ABA/AuNP modified GCE

圖5 H2O2濃度對(duì)辣根過(guò)氧化酶標(biāo)記抗體修飾的poly-o-ABA/AuNP修飾電極的影響(a)0.4 mmol/L;(b)0.8 mmol/L;(c)6.0 mmol/L的H2O2在基底中的電流響應(yīng)，插圖為響應(yīng)電流與H2O2濃度的線性圖Fig.5 Response currents of HRP-anti-E.coli/poly-o-ABA/AuNP modified GCE in(a)0.4 mmol/L;(b)0.8 mmol/L;(c)6.0 mmol/L H2O2;Insert shows the calibration plot between the response current and H2O2concentration

圖6 (a)0.0 cfu/mL;(b)1.0×103cfu/mL;(c)1.0×105cfu/mL 的大腸桿菌在免疫傳感器上的電流響應(yīng)；插圖為響應(yīng)電流與大腸桿菌的濃度對(duì)數(shù)的線性關(guān)系圖Fig.6 Response currents of the immunosensor toward the(a)0.0 cfu/mL;(b)1.0 ×103cfu/mL;(c)1.0×105cfu/mL of E.coli.Insert shows the calibration plot between the response current and the logarithmic value of E.coli concentration

3 結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)采用poly-o-ABA/AuNP制備出新型的免疫傳感器，并將其應(yīng)用于河水中大腸桿菌的檢測(cè)。該傳感器檢測(cè)河水中的大腸桿菌具有靈敏度高、選擇性好的優(yōu)點(diǎn)，在飲用水和食品安全檢測(cè)等方面有很好的應(yīng)用前景。

[1]劉亞軍，黃晶晶,程欲曉.Tyr/MWNTs-Chit/GCE生物傳感器的制備及其在快速檢測(cè)大腸桿菌中的應(yīng)用[J].化學(xué)傳感器,2008,28(2):20～26.

[2]Zhang X A,Zhang W,Jin L T,et al.Development of an electrochemical immunoassay for rapid detection of E.coli using anodic stripping voltammetry based on Cu@Au nanoparticles as antibody labels[J].Biosens.Bioelectron,2009,24(7):2 155～2 159.

[3]張文，唐輝，金利通.納米二氧化錫電極的制備及其用于水體中大腸桿菌的快速計(jì)數(shù)研究 [J].化學(xué)學(xué)報(bào),2005,63(14):1 313～1 317.

[4]劉慧杰，張文，金利通.基于Fe3O4@Au復(fù)合納米粒子標(biāo)記抗體免疫分析方法用于檢測(cè)水體中的大腸桿菌[J].分析化學(xué),2009,37(A03):283～284.

[5]Michael S W.Electrochemical Immunosensors for the Simultaneous Detection of Two Tumor Markers[J].Anal.Chem,2005,77(5):1 496～1 502.

[6]左國(guó)防,王小芳.基于納米材料的電化學(xué)生物傳感器研究進(jìn)展[J].化學(xué)傳感器,2009,29(4):25～31.

[7]Carolin T,Christopher M A B.Electrosynthesis and properties of conducting polymers derived from aminobenzoic acids and from aminobenzoic acids and aniline[J].Synthetic.Met.,2001,123(1):1～9.

[8]Benyoucef A,Huerta F,Ferrahi M I.Voltammetric and in situ FT-IRS study of the electropolymerization of oaminobenzoic acid at gold and graphite carbon electrodes:Influence of pH on the electrochemical behaviour of polymer films[J].J.Electroanal.Chem,2008,624(1-2):245～250.

[9]Sema D ?,Hayati F,Reat A.Use of an o-aminobenzoic acid-functionalized XAD-4 copolymer resin for the separation and preconcentration of heavy metal(Ⅱ)ions[J].Anal.Chim.Acta,2004,505(1):15～24.

[10]Ren X M,Pickup P G.An impedance study of electron transport and electron transfer in composite polypyrrole+polystyrenesulphonate films[J].J.Electroanal.Chem,1997,420(1-2):251～257.

[11]Ruan C M,Yang L J,Li Y B.Immunobiosensor Chips for Detection of Escherichia coli O157:H7 Using ElectrochemicalImpedance Spectroscopy[J].Anal.Chem,2002,74(18):4 814～4 820.

[12]Kanika S,Md A R, Jung I S.An amperometric immunosensorforosteoproteogerin based on gold nanoparticles deposited conducting polymer[J].Biosens.Bioelectron.,2008,23(11):1 595～1 601.