翟 琨,王聯(lián)芝,向東山,*
(1.湖北民族學(xué)院 生物資源保護(hù)與利用湖北省重點實驗室,湖北 恩施 445000;2.湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)
雙色熒光定量檢測大米中的汞
翟 琨1,2,王聯(lián)芝2,向東山1,2,*
(1.湖北民族學(xué)院 生物資源保護(hù)與利用湖北省重點實驗室,湖北 恩施 445000;2.湖北民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)
利用兩條部分互補的富含胸腺嘧啶(T堿基)的單鏈核酸,結(jié)合氧化石墨烯及核酸染料SYBR GreenⅠ,采用同步熒光分析法,建立一種高靈敏度、高選擇性的汞離子(Hg2+)雙色熒光定量檢測方法。在優(yōu)化條件下,Hg2+濃度在5×10—10~500×10—10mol/L之間時,SYBR GreenⅠ及Carboxy-X-rhodamine(ROX)總的熒光強度(ΔIT)與Hg2+濃度(C)之間具有良好的線性關(guān)系,其擬合的回歸方程為?IT= 2.121 3C+10.536 0,方法檢出限(3σ)為2×10—10mol/L。該方法操作簡單、檢測速度快、選擇性好、靈敏度高、重復(fù)性好、檢出限低。將該方法應(yīng)用于大米中汞的檢測,獲得了滿意的結(jié)果。
汞;定量檢測;雙色熒光;大米
汞是一種對人體健康有嚴(yán)重危害的金屬元素,在人體中具有累積效應(yīng)[1-2]。汞攝入量過多會影響人體的生殖和發(fā)育,有致畸、致癌、致突變作用,嚴(yán)重的還會產(chǎn)生精神異常,極大地危害人體健康[3-7]。因此,汞的定量檢測在食品領(lǐng)域中具有十分重要的意義。
目前,汞常用的定量檢測方法有紫外-可見光分光光度法[8]、原子發(fā)射光譜法[9]、原子吸收分光光度法[10]、原子熒光法[11]、高效液相色譜法[12]及電感耦合等離子體質(zhì)譜法[13]等。在這些分析方法中,紫外-可見光分光光度法實驗設(shè)備簡單、檢測方便且具有較高的檢測靈敏度,但該方法顯色反應(yīng)時間長,汞離子顯色劑的特異性不高,樣品中存在與汞離子化學(xué)性質(zhì)相近的重金屬離子時誤差較大;原子發(fā)射光譜法具有較好的選擇性,較低的檢出限、極小的基體效應(yīng)、較高的精密度及廣泛的測量范圍等特點,但對儀器和精度要求較高,設(shè)備造價昂貴,而且不能進(jìn)行即時測量;原子吸收分光光度法是目前最常用的汞的檢測方法,特別是冷原子吸收法現(xiàn)已成為國家標(biāo)準(zhǔn)方法,但該方法對樣品制備要求較高,所用時間長,對設(shè)備要求較高;原子熒光法具有譜線簡單、靈敏度高、干擾少、檢出限低等優(yōu)點,但檢測時產(chǎn)生汞蒸氣,對操作人員的健康具有一定的威脅;高效液相色譜法及電感耦合等離子體質(zhì)譜法具有靈敏度高、選擇性好的特點,但所需儀器價格昂貴,在多數(shù)實驗室中的推廣應(yīng)用受到限制。
氧化石墨烯是一種性能優(yōu)異的新型碳材料,比表面積較大,且表面具有豐富的官能團(tuán)[14-16]。研究表明,氧化石墨烯對單鏈核酸具有很強的吸附能力,但對雙鏈核酸的吸附能力很弱[17-18]。另外,氧化石墨烯對熒光染料具有極高的猝滅作用,且猝滅范圍很廣[19-20]。
核酸染料SYBR GreenⅠ是一種不對稱的菁類核酸染料,它本身的熒光信號很弱,與單鏈DNA也幾乎不發(fā)生作用,但它與雙鏈DNA有很強的親和性,且與雙鏈DNA結(jié)合后,其熒光強度會增加800~1 000 倍,是目前所發(fā)現(xiàn)的最靈敏的核酸染料之一[21]。
基于此,本實驗利用T堿基與Hg2+能特異性結(jié)合形成穩(wěn)定“T-Hg2+-T”結(jié)構(gòu)的特點[22],設(shè)計了兩條部分互補的富含T堿基的單鏈DNA(其中一條用熒光染料Carboxy-X-rhodamine(ROX)標(biāo)記),并結(jié)合氧化石墨烯及核酸染料SYBR GreenⅠ,建立了一種高靈敏的Hg2+雙色熒光定量檢測方法,并將其應(yīng)用于大米分析中。
與以前報道的分析方法相比,這種方法不僅具有很高的選擇性,而且可以顯著地提高檢測的靈敏度,降低Hg2+的檢出限。該方法操作簡單、檢測速度快、選擇性好、靈敏度高、重復(fù)性好、檢出限低。將該方法應(yīng)用于大米中汞的檢測,獲得了滿意的結(jié)果。
1.1 材料與試劑
大米 益海糧油工業(yè)有限公司。
氧化石墨烯 中科碳納米科技有限公司;SYBR Green Ⅰ購于上海瑞安生物技術(shù)有限公司,原始溶液為無水二甲基亞砜制備的10 000倍濃縮液,工作液是濃縮液用超純水1∶10 000稀釋得到;Hg(NO3)2及其他所有化學(xué)試劑均為分析純均購自美國Sigma公司和國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;Tris-HCl緩沖溶液由0.1 mol/L Tris通過0.1 mol/L HCl調(diào)節(jié)得到。兩種單鏈核酸均由上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司(中國)合成并用高效液相色譜法進(jìn)行純化,其核苷酸序列如下:核酸序列Ⅰ(P1):5’- CTG CTT GCT C -3’;核酸序列Ⅱ(C1):5’-GAG CTT GCT G-(CH2)6-ROX-3’。
1.2 儀器與設(shè)備
RF-5301PC型熒光光譜儀、PB-21型pH計 日本Shimadzu公司;AFS-922型原子熒光光度計 北京吉天儀器有限公司;Ethos Plus型微波消解系統(tǒng) 意大利Milestone公司。
1.3 方法
1.3.1 樣品制備
將兩種富含T堿基的單鏈核酸分別溶解在Tris-HCl緩沖溶液中,并配制成5×10—7mol/L的溶液。取50 μL 5×10—7mol/L的P1溶液加入到50 μL 5× 10—7mol/L的C1溶液中并混合均勻,再加入50 μL不同濃度的Hg(NO3)2溶液,并加入緩沖溶液至總體積達(dá)到390 μL,在35 ℃孵育10 min后,冷卻至室溫,加入100 μL SYBR GreenⅠ工作液并在室溫條件下反應(yīng)10 min后,再加入10 μL 0.5 mg/mL的氧化石墨烯,孵育3 min,最后對ROX及SYBR GreenⅠ的熒光信號進(jìn)行檢測。在條件優(yōu)化時,兩種單鏈核酸的濃度均為5× 10—8mol/L,Hg2+的濃度為5×10—8mol/L,兩種單鏈DNA與Hg2+孵育溫度為35 ℃,孵育時間為10 min。
大米樣品的消化條件:準(zhǔn)確稱取0.50 g樣品,置于聚四氟乙烯的消解罐中,加人6 mL硝酸和4 mL雙氧水(H2O2),密封后將消解罐放入微波中加熱,升溫程序為100 ℃保持30 min,140 ℃保持25 min,180 ℃保持25 min,樣品消解完全后自然冷至室溫。將樣品消解液轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中,用1%的硝酸溶液定容,搖勻待測。
1.3.2 Hg2+的檢測
Hg2+的測定通過對ROX及SYBR GreenⅠ熒光信號的檢測實現(xiàn)。SYBR GreenⅠ最大激發(fā)波長為499 nm,最大發(fā)射波長為523 nm,波長間隔(Δλ)為24 nm;ROX的最大激發(fā)波長為588 nm,最大發(fā)射波長為610 nm,Δλ為22 nm。這兩種染料的波長間隔較小,但很接近,為了消除反射及瑞利散射對熒光信號的干擾,采用同步掃描熒光光譜法進(jìn)行分析。該實驗中同步掃描的波長間隔設(shè)置為23 nm,熒光分光光度計的激發(fā)及發(fā)射狹縫寬度均設(shè)置為10 nm。
2.1 檢測原理
利用兩條部分互補的富含T堿基的單鏈DNA(其中一條用熒光染料ROX標(biāo)記)、氧化石墨烯(graphene oxide,GO)及核酸染料SYBR GreenⅠ對Hg2+檢測的原理如圖1所示。在沒有Hg2+時,兩條單鏈核酸中有多個T-T錯配堿基,不能形成雙螺旋結(jié)構(gòu),核酸染料SYBR GreenⅠ與核酸的作用很微弱,其熒光信號很弱。當(dāng)加入氧化石墨烯時,兩種單鏈DNA均被氧化石墨烯吸附,熒光染料ROX的熒光被猝滅,熒光信號也很弱。在有Hg2+時,兩條單鏈核酸通過“T-Hg2+-T”特異性結(jié)合形成雙螺旋結(jié)構(gòu),與SYBR GreenⅠ的作用增強,SYBR GreenⅠ的熒光信號顯著增強;當(dāng)加入氧化石墨烯時,雙鏈核酸不能被氧化石墨烯吸附,ROX的熒光不能被猝滅,因此其熒光信號也會顯著增強。利用Hg2+存在時,SYBR GreenⅠ及ROX的熒光信號都顯著增強的原理,即可實現(xiàn)Hg2+的雙色熒光定量檢測。
圖 1 檢測原理圖Fig.1 Mechanism for mercury detection
2.2 方法可行性分析
Hg2+濃度不同時SYBR GreenⅠ及ROX所對應(yīng)的同步掃描熒光光譜見圖2。在沒有Hg2+存在時,SYBR GreenⅠ及ROX的熒光信號都很弱(圖2a);當(dāng)溶液中加入Hg2+后,SYBR GreenⅠ及ROX的熒光信號都顯著增強,且Hg2+濃度不同時,它們所對應(yīng)的熒光信號都有顯著的區(qū)別(圖2b、c)。由此說明,利用上述原理對Hg2+的雙色定量檢測是可行的。
圖 2 Hg 2 Hg2+濃度不同時SYBR GreenⅠ(左)及ROX(右)X對應(yīng)的同步掃描光譜圖Fig.2 Synchronous scanning fluorescence spectra of SYBR GreenⅠ(left) and ROX (right) for different concentrations of Hg2+
2.3 pH值對測定結(jié)果的影響
圖 3 pH值對熒光強度的影響Fig.3 Effect of pH on the fl uorescence intensity
緩沖溶液的pH值可以影響兩種單鏈DNA與Hg2+形成雙螺旋結(jié)構(gòu),也可以直接影響核酸染料SYBR GreenⅠ及熒光染料ROX的熒光強度。本實驗以Tris-HCl作為緩沖溶液,考察不同pH值的Tris-HCl緩沖溶液對測定結(jié)果的影響。結(jié)果(圖3)表明,在pH值為7.0~9.0的范圍內(nèi),兩種熒光染料的熒光強度都是先增加,然后又降低。在pH值等于8.2時效果最好,因此本實驗選擇緩沖溶液的pH值為8.2。
2.4 反應(yīng)溫度對測定結(jié)果的影響
反應(yīng)溫度是影響兩種單鏈DNA與Hg2+形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的重要因素之一,溫度太低,反應(yīng)速度慢,而反應(yīng)溫度超過雙鏈的解旋溫度,雙螺旋結(jié)構(gòu)則不能形成。本實驗對不同的反應(yīng)溫度進(jìn)行考察。結(jié)果(圖4)表明,反應(yīng)溫度在25~35 ℃之間時,SYBR GreenⅠ及ROX的熒光強度都隨著溫度的升高而增加;當(dāng)溫度超過35 ℃后,兩種染料的熒光強度均快速下降。這主要是因為本實驗所設(shè)計的兩種單鏈與Hg2+形成的雙鏈解旋溫度在38 ℃左右,當(dāng)溫度超過35 ℃后,有部分雙鏈發(fā)生解旋形成單鏈所造成的。因此,本實驗選擇的最佳反應(yīng)溫度為35 ℃。
圖 4 反應(yīng)溫度對熒光強度的影響Fig.4 Effect of reaction temperature on the fl uorescence intensity
2.5 反應(yīng)時間對測定結(jié)果的影響
反應(yīng)時間也是影響兩種單鏈DNA與Hg2+形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的重要因素之一,本實驗對不同的反應(yīng)時間進(jìn)行考察。結(jié)果(圖5)表明,反應(yīng)時間在2~10 min內(nèi),SYBR GreenⅠ及ROX的熒光強度均隨著反應(yīng)時間的延長而增加,當(dāng)反應(yīng)時間超過10 min時,熒光強度趨于穩(wěn)定,說明反應(yīng)在10 min內(nèi)即可完成。因此,本實驗選擇的反應(yīng)時間為10 min。
圖 5 反應(yīng)時間對熒光強度的影響Fig.5 Effect of reaction time on the fl uorescence intensity
2.6 離子強度對測定結(jié)果的影響
離子具有穩(wěn)定雙鏈DNA的作用。本實驗通過加入不同濃度的NaCl考察離子強度對熒光強度的影響。結(jié)果(圖6)表明,NaCl濃度在0~20 mmol/L之間時,SYBR GreenⅠ及ROX的熒光強度均隨著NaCl濃度的增加而增加。當(dāng)NaCl濃度達(dá)到20 mmol/L后,其熒光強度趨于穩(wěn)定。本實驗選擇NaCl濃度為20 mmol/L。2.7 工作曲線及檢出限
圖 6 離子強度對熒光強度的影響Fig.6 Effect of ionic strength on the fl uorescence intensity
在最優(yōu)實驗條件下,對Hg2+的濃度與相應(yīng)SYBR GreenⅠ及ROX的熒光強度之間的關(guān)系進(jìn)行考察。結(jié)果(圖7)表明,在Hg2+濃度為5×10—10~500× 10—10mol/L之間時,SYBR GreenⅠ及ROX總的熒光強度?IT(ΔIT=ΔI1+ΔI2,I1為SYBR GreenⅠ的熒光強度,I2為ROX的熒光強度;ΔI = I—I0,I0和I分別表示有Hg2+和沒有Hg2+時的熒光強度)與Hg2+濃度(C)之間具有良好的線性關(guān)系。其擬合的回歸方程為ΔIT= 2.121 3C+ 10.536 0(R2= 0.998 6)。對9 個濃度為5×10—9mol/L 的平行樣品分別進(jìn)行檢測以評價方法的精密度,9個檢測結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.43%,說明方法具有良好的精密度。用空白試劑標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=11)的3倍除以回歸方程的斜率得方法的檢出限為2×10—10mol/L。
圖 7 工作曲線Fig.7 Calibration curve
2.8 干擾實驗
按照檢測Hg2+的實驗方法,考察大米中常見的金屬離子Ca(Ⅱ)、Mg(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Al(Ⅲ)、K(Ⅰ)、Na(Ⅰ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)及Cr(Ⅲ)對Hg2+測定的干擾。結(jié)果(圖8)表明,在其他金屬離子濃度為Hg2+濃度100倍的情況下(Hg2+的濃度為5×10—8mol/L,其他金屬離子的濃度為5×10—6mol/L),Hg2+所對應(yīng)的兩種熒光染料的熒光強度還是遠(yuǎn)大于其他金屬離子,這表明該方法對大米中Hg2+的檢測具有很高的選擇性。2.9 與原子熒光法測定結(jié)果的比較及其應(yīng)用
在不含Hg2+的大米中加入已知量的Hg(NO3)2,樣品經(jīng)消化后分別用本方法和原子熒光法測定Hg2+的含量,結(jié)果如表1所示??梢钥闯觯? 種方法測定結(jié)果基本相同。本方法應(yīng)用于加入大米中Hg(NO3)2的檢測,結(jié)果如表2所示。由表2可知,在本實驗所使用的大米中未檢測出Hg2+,該檢測方法用于加入大米Hg(NO3)2的檢測可獲得較為滿意的結(jié)果。
表 1 不同測定方法實驗結(jié)果Table 1 Results obtained with different methods
表 2 加入大米中Hg(NO 的檢測結(jié)果Table 2 Recoveries from rice samples spiked with Hg(NO3)2
本實驗利用含有T堿基錯配部分互補的兩條單鏈核酸,結(jié)合氧化石墨烯及核酸染料SYBR GreenⅠ,建立了一種大米中Hg2+的定量檢測方法。這種分析方法簡單快速、選擇性好、靈敏度高、檢出限低。將這種分析方法應(yīng)用于大米中Hg2+的檢測,獲得了滿意的結(jié)果。
[1] PROKOPOWICZ A, PAWLAS N, OCHOTA P, et al. Blood levels of lead, cadmium, and mercury in healthy women in their 50 s in an u rban area of Poland: a pilot study[J]. Polish Journal of Environmental Studies, 2014, 23(1): 167-175.
[2] AL-SALEH I, SHINWARI N, MASHHOUR A, et al. Heavy metals (lead, cadmium and mercury) in maternal, cord blood and placenta of healthy women[J]. International Journal of Environmental Health Research, 2011, 214(2): 79-101.
[3] LIU Yurong, ZHENG Yuanming, ZHANG Limei, et al. Effects of mercury on reproduction, avoidance, and heat shock protein gene expression of the soil springtail Folsomia Candida[J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 2011, 30(7): 1729-1730.
[4] PANEBIANCO S, SIDA J L, GOUTTE H, et al. Role of deformed shell effects on the mass asymmetry in nuclear fission of mercury isotopes[J]. Physical Review C, 2012, 86(6): 45-53.
[5] PATEL U B, BLOMQVIST L K, TAYLOR F, et al. MRI after treatment of locally advanced rectal cancer: how to report tumor respo nse-the mercury experience[J]. American Journal of Roentgenology, 2012, 199(4): 486-495.
[6] RUANO A. Mercury and cancer: usefulness of cohort studies[J]. Gaceta Sanitaria, 2007, 21(3): 218.
[7] PATEL U B, TAYLOR F, BLOMQVIST L, et al. Magnetic resonance imaging-detected tumor response for locally advanced rectal can cer predicts survival outcomes: mercury experience[J]. Journal of Clinical Oncology, 2011, 29(28): 3753-3760.
[8] COULOMB B, THERAULAZ F, CERDA V, et al. Fast and simultaneous complexometric determination of copper (Ⅱ), iron (Ⅱ) and me rcury (Ⅱ) in natural waters and effl uents using a robust UV-visible spectral deconvolution[J]. Quimica Analitica, 1999, 18(3): 255-262.
[9] SHEKHAR R. Improvement of sensitivity of electrolyte cathode discharge atomic emission spectrometry (ELCAD-AES) for mercury using acetic acid medium[J]. Talanta, 2012, 93: 32-36.
[10] LEMOS V A, DOS SANTOS L O. A new method for preconcentration and determination of mercury in fish, shellfish and saliva by cold vapour atomic absorption spectrometry[J]. Food Chemistry, 2014, 149: 203-207.
[11] CAMPANELLA B, ONOR M, D'ULIVO A, et al. Impact of protein concentration on the determination of thiolic groups of ovalbumi n: a size exclusion chromatography-chemical vapor generation-atomic fluorescence spectrometry study via mercury labeling[J]. Analytical Chemistry, 2014, 86(4): 2251-2256.
[12] HAYASHI K, OHSAKO J, NAKAJIMA T, et al. Fractional determination of mercury species in biological samples by use of HPLC a nd cold vapor atomic fl uorescence spectrometry[J]. Bunseki Kagaku, 2012, 61(12): 1073-1077.
[13] MONTERO-ALVAREZ A, de la CAMPA M D F, SANZ-MEDEL A. Mercury speciation in cuban commercial edible fi sh by HPLC-ICP-MS usin g the double spike isotope dilution analysis strategy[J]. International Journal of Environmental Health Research, 2014, 94(1): 36-47.
[14] WU M, KEMPAIAH R, HUANG P J J, et al. Adsorption and desorption of DNA on graphene oxide studied by fl uorescently labeled oligonucleotides[J]. Langmuir, 2011, 27(6): 2731-2738.
[15] HUANG P J J, LIU J W. DNA-length-dependent fluorescence signaling on graphene oxide surface[J]. Small, 2012, 8(7): 977-983.
[16] WANG Xue, ZHONG Shuhua, HE Yu, et al. A graphene oxiderhodamine 6G nanocomposite as turn-on fluorescence probe for selective detection of DNA[J]. Analytical Methods, 2012, 4(2): 360-362.
[17] LI Feng, FENG Yan, ZHAO Can, et al. A sensitive graphene oxide-DNA based sensing platform for fl uorescence “turn-on” detection of bleomycin[J]. Chemical Communications, 2012, 48(1): 127-129.
[18] SUN W L, SHI S, YAO T M. Graphene oxide-Ru complex for label-free assay of DNA sequence and potassium ions via fl uorescence resonance energy transfer[J]. Analytical Methods, 2011, 3(11): 2472-2474.
[19] LIU X Q, AIZRN R, FREEMAN R, et al. Multiplexed aptasensors and amplifi ed DNA sensors using functionalized graphene oxide: application for logic gate operations[J]. ACS Nano, 2012, 6(4): 3553-3563.
[20] MAO Shun, YU Kehan, LU Ganhua, et al. Highly sensitive protein sensor based on thermally-reduced graphene oxide field-effect transistor[J]. Nano Research, 2011, 4(10): 921-930.
[21] SINGER V L, LAWLOR T E, YUE S. Comparison of SYBR (R) green Ⅰ nucleic acid gel stain mutagenicity and ethidium bromide mutagenicity in the salmonella/mammalian microsome reverse mutation assay (ames test)[J]. Mutation Research, 1999, 439: 37-47.
[22] ZHANG Xiaoru, LI Ying, SU Haoran, et al. Highly sensitive and selective detection of Hg2+using mismatched DNA and a molecul ar light switch complex in aqueous solution[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2010, 25(6): 1338-1343.
Dual Color Fluorescence Quantitative Detection of Mercury in Rice
ZHAI Kun1,2, WANG Lianzhi2,XIANG Dongshan1,2,*
(1. Key Laboratory of Biologic Resources Protection and Utilization of Hubei Province, Hubei Minzu University, Enshi 445000, China; 2. School of Chemical and Environmental Engineering, Hubei Minzu University, Enshi 445000, China)
A highly sensitive and selective dual color fl uorescence quantitative detection method for mercury (Hg2+) in rice was developed by synchronous scanning fluorescence spectrometry. In this method, two complementary single-stranded nucleic acids with T-T mismatches, SYBR GreenⅠ and graphene oxide were employed. Under the optimum conditions, the total fl uorescence intensity of SYBR GreenⅠ and carboxy-X-rhodamine (ROX) exhibited good linear dependence on the quantity of Hg2+in the range of 5 × 10-10–500 × 10-10mol/L. The fi tted regression equation was ?IT= 2.121 3 C + 10.536 0 with a detection limit of 2 × 10-10mol/L (3σ). The proposed method displayed a good precision, high selection, simple operation, fast detection, low detection limit and high sensitivity. This method has been applied with satisfactory results.
mercury; quantitative detection; dual color fl uorescence; rice
S132
A
1002-6630(2015)02-0179-05
10.7506/spkx1002-6630-201502034
2014-04-08
國家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金項目(21465010;31460172);湖北省教育廳重點項目(D20131905;D20131906);
生物資源保護(hù)與利用湖北省重點實驗室開放基金項目(PKLHB1316);湖北省林學(xué)一級學(xué)科資助項目
翟琨(1978—),女,副教授,碩士,研究方向為土壤化學(xué)與環(huán)境。E-mail:zk3100@sina.com
*通信作者:向東山(1974—),男,副教授,博士,研究方向為分析化學(xué)。E-mail:zk3100@sohu.com