何祖宇,李普旺,周 闖,王 超,呂明哲,宋書會(huì), 劉運(yùn)浩,楊子明*
(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所 海南省熱帶園藝產(chǎn)品采后生理與保鮮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 湛江 524091;2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,廣東 湛江 524001)
雙酚A (BPA)是一種重要的化工原料,常用于合成環(huán)氧樹脂、聚碳酸酯、不飽和聚酯樹脂、聚砜樹脂等多種高分子材料,廣泛應(yīng)用于奶瓶、飲料瓶、食品等日常消費(fèi)瓶的包裝內(nèi)襯[1-2]。研究表明,BPA 具有類雌激素的作用,即使很低的劑量也會(huì)干擾正常性激素的分泌,從而影響人類的生殖功能[3]。在日常生活中,BPA會(huì)隨著食品、飲料的包裝溶解擴(kuò)散到水體或土壤中,通過生物富集作用進(jìn)入人體,給人們的生活健康帶來極大的危害[4]。目前用于檢測BPA的方法主要有高效液相色譜法及高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[5-6]、氣相色譜法[7]、熒光光譜法[8]、電化學(xué)法[9-10]等。色譜和光譜法需要復(fù)雜、昂貴而精密的設(shè)備和專業(yè)培訓(xùn)的操作人員,樣品檢測前需要進(jìn)行預(yù)處理、提取、純化等過程,耗時(shí)耗力,限制了其廣泛使用。而電化學(xué)方法由于選擇性好、靈敏度高且操作簡便等優(yōu)點(diǎn),目前備受人們關(guān)注[11-12]。
絲網(wǎng)印刷電極是指采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)通過層層沉積將油墨印刷在惰性固體平面基質(zhì)上,利用絲網(wǎng)或刻空模版形成電極圖形后,再通過電極烘烤將油墨中溶劑去除,制備得到的定型固化電極[13]。絲網(wǎng)印刷電極具有制造工藝簡單、成本低、設(shè)計(jì)靈活、重復(fù)性好、便于攜帶且能夠大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[14-15],能滿足快速準(zhǔn)確的原位分析和便攜式設(shè)備開發(fā)日益增長的需求,因此已成功用于商業(yè)化。迄今為止,基于不同的分子識(shí)別元件,已開發(fā)了酶傳感器[16]、核酸傳感器[17]、分子印跡傳感器[18]、免疫傳感器[19]等絲網(wǎng)印刷電極電化學(xué)傳感器,并獲得較好的檢測性能。
本文采用絲網(wǎng)印刷碳電極(SPCEs)為工作電極,在電極表面電沉積聚L-賴氨酸(PLL)和納米金顆粒,以提高對抗原的固定能力,通過構(gòu)建BPA電化學(xué)免疫傳感器,實(shí)現(xiàn)了對BPA的靈敏檢測。
雙酚A標(biāo)準(zhǔn)品(光譜純,百靈威科技有限公司);L-賴氨酸(PLL,分析純,阿拉丁試劑有限公司);四氯金酸(氫醌,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);30%過氧化氫、對苯二酚(氫醌,分析純,廣州化學(xué)試劑廠);雙酚A抗原(質(zhì)量濃度為5.00 mg/mL)、雙酚A單克隆抗體(一抗,質(zhì)量濃度為10.00 mg/mL),均為實(shí)驗(yàn)室自制;HRP標(biāo)記的羊抗鼠IgG抗體(二抗,Santa Cruze 公司);其他試劑均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。
絲網(wǎng)印刷碳電極(長三角系統(tǒng)生物交叉科學(xué)研究院有限公司);CHI660D電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司);JC-2000C1接觸角測量儀(上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司);KQ-50B超聲波清洗器(昆山超聲儀器設(shè)備有限公司);HH-W-420數(shù)顯恒溫水箱(金壇市江南儀器廠)。
1.2.1 SPCEs/PLL/AuNPs電極的制備SPCEs的前處理:先用水將剪裁好的SPCEs沖洗干凈并用氮?dú)獯蹈杀砻?,然后將電極浸泡至1/15 mol/L PBS(pH 7.4)中,在恒電位1.7 V下活化4.0 min,最后用水洗凈電極,吹干,待用。
SPCEs/PLL的制備:將上述前處理好的SPCEs電極浸泡至1.0 mg/mL PLL溶液中,在-0.3~0.3 V電壓和0.05 V/s掃描速度下進(jìn)行循環(huán)伏安(CV)掃描5圈,再將電極水洗,吹干,待用,制得SPCEs/PLL。
SPCEs/PLL/AuNPs的制備:將上述PLL修飾的SPCEs電極浸泡至含0.5 mmol/L HAuCl4的0.5 mol/L硫酸溶液中,在恒電位1.5 V下電沉積4.0 min后,將電極水洗,吹干,待用,制得SPCEs/PLL/AuNPs。
1.2.2 免疫傳感器的整體構(gòu)建在SPCEs/PLL/AuNPs電極表面滴加5 μL抗原(Antigen,Ag)溶液,37 ℃下恒溫恒濕反應(yīng)1 h。洗滌吹干后,在電極上滴加5 μL封閉液,37 ℃下恒溫恒濕反應(yīng)1 h。洗滌吹干后,在電極上滴加5 μL一抗(Primary antibody,Ab1),37 ℃下恒溫恒濕反應(yīng)1 h。洗滌吹干后,繼續(xù)在電極上滴加5 μL 稀釋200倍的HRP酶標(biāo)二抗(HRP-labeled secondary antibody,HRP-Ab2),在37 ℃下恒溫恒濕反應(yīng)1 h,洗滌吹干備用。
1.2.3 氫醌/雙氧水(HQ/H2O2)體系下的電化學(xué)行為研究經(jīng)上述免疫反應(yīng)的電極在CHI660D電化學(xué)工作站上進(jìn)行性能測試:將電極浸泡至10 mL 1 mmol/L HQ緩沖液(pH 7.4)中,在-0.4~0.5 V電壓和0.1 V/s掃描速度下CV掃描1圈,記錄還原峰電流。然后加入30 μL 0.5 mol/L H2O2溶液,攪拌均勻,在上述條件下繼續(xù)CV掃描1圈,記錄還原峰電流,并計(jì)算加入H2O2溶液前后還原峰電流的差值,即為BPA免疫傳感器的響應(yīng)信號(ΔI)。
抗原濃度的優(yōu)化:通過改變抗原濃度的稀釋倍數(shù),其他條件控制不變,根據(jù)響應(yīng)信號與抗原稀釋倍數(shù)的關(guān)系,選取合適的抗原稀釋倍數(shù)。同理,本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了一抗的稀釋倍數(shù)、一抗的孵育時(shí)間以及檢測體系的pH值。
在最優(yōu)檢測條件下,將BPA標(biāo)準(zhǔn)液與一抗混合均勻,滴加至已固定抗原的電極表面,使BPA和已固定的抗原競爭有限的一抗。通過不同濃度的BPA與一抗混合,獲取BPA標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度與響應(yīng)電流信號的關(guān)系,并計(jì)算得到lgCBPA與響應(yīng)信號的標(biāo)準(zhǔn)曲線。
本文構(gòu)建的BPA免疫傳感器的檢測原理如圖1所示,首先在SPCEs表面電聚合一層PLL膜,接著在電極表面電沉積金納米顆粒;隨后進(jìn)行免疫傳感器的整體構(gòu)建,將抗原吸附到SPCEs/PLL/AuNPs電極表面后,滴加脫脂奶粉封閉非特異性位點(diǎn),進(jìn)一步滴加BPA小分子與一抗混合液進(jìn)行競爭免疫反應(yīng);最后加二抗與一抗進(jìn)行反應(yīng),根據(jù)二抗上標(biāo)記的HRP催化H2O2氧化氫醌產(chǎn)生峰電流的大小得出相應(yīng)響應(yīng)電流,擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線。其中,辣根過氧化物酶(HRP)通過HQ/H2O2體系催化氧化H2O2,可能的反應(yīng)機(jī)理如下[20]:
HRP(Fe3+)+H2O2→ Compound(Ⅰ)+H2O
(1)
Compound(Ⅰ)+HQ → Compound(Ⅱ)+BQ
(2)
Compound(Ⅱ)+HQ → HRP(Fe3+)+BQ +H2O
(3)
BQ +2H++2e → HQ(電極反應(yīng))
(4)
HQ和BQ分別表示氫醌以及氫醌的氧化態(tài)。當(dāng)存在H2O2時(shí),HRP被氧化成化合物(Ⅰ),接著化合物(Ⅰ)與HQ反應(yīng),使HQ被氧化成BQ。在CV掃描過程,當(dāng)HQ被消耗時(shí),CV圖中氧化峰電流值下降。HQ被消耗的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的BQ,相反,還原峰電流會(huì)迅速增加,此傳感器的檢測信號由酶催化H2O2產(chǎn)生的還原峰電流變化值來描述。
圖1 基于SPCEs/PLL/AuNPs的BPA免疫傳感器的檢測原理圖Fig.1 Principle of BPA immunosensor based on SPCEs/PLL/AuNPs
SPCEs屬于三電極體系的一種,參比電極是銀電極,對電極和工作電極均為碳電極。SPCEs的導(dǎo)電性能對免疫傳感器的性能影響很大,其導(dǎo)電能力強(qiáng),則傳感器的檢測靈敏性高,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小,反之亦然。未作任何處理的SPCEs工作電極因表面較粗糙,導(dǎo)電性能較差。根據(jù)SPCEs的設(shè)計(jì)特點(diǎn),由于不能進(jìn)行打磨、拋光等前處理,因此選取電化學(xué)方法進(jìn)行前處理最為快捷有效。本實(shí)驗(yàn)以1/15 mol/L PBS溶液為導(dǎo)電介質(zhì),在1.7 V電壓下采用計(jì)時(shí)伏安法對電極進(jìn)行電化學(xué)活化4 min。由圖2A可以看出,隨著電活化的進(jìn)行,SPCEs的活化電流逐漸增大,由開始的幾十微安提高到300 μA左右,可以推測電極的導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。活化電流提高的原因可能是,隨著電活化的進(jìn)行,工作電極表面不穩(wěn)定的物質(zhì)被分解,同時(shí)其表面粘附力弱的物質(zhì)脫落,導(dǎo)致工作電極電阻降低,導(dǎo)電性能提高,電流增大。
為進(jìn)一步證明電極的活化效果,將未活化和已活化的SPCEs分別浸泡在5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]電解液中進(jìn)行CV掃描(見圖2B曲線a、b)。結(jié)果顯示,未活化的SPCEs氧化峰電位和還原峰電位的間距(ΔE)約為800 mV,Ipa/Ipc也偏離1較遠(yuǎn),表明未活化SPCEs上的電極反應(yīng)為非可逆的氧化還原反應(yīng),不利于工作電極表面反應(yīng)的進(jìn)行;活化后SPCEs的氧化峰電位和還原峰電位的間距大大減小,ΔE約為250 mV,氧化還原峰的峰電流均增強(qiáng),且Ipa/Ipc約等于1,說明活化后SPCEs電極上的電極反應(yīng)為可逆反應(yīng),活化后的電極表面具有更好的電化學(xué)活性,并且有效地提高了電子的傳輸速率。
本研究通過電聚合法將PLL修飾至SPCEs,并將修飾電極浸泡至5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液中進(jìn)行CV掃描,以表征PLL是否修飾到電極表面(圖2B曲線c)。結(jié)果顯示,相比于覆蓋PLL前,SPCEs工作電極覆蓋了一層PLL后,其ΔE略有增加,而氧化還原峰電流減小,這是由于PLL膜表面含有豐富的帶負(fù)電的羰基,阻止了[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-離子靠近工作電極,因此電流傳輸速度降低,氧化還原峰電流減小[21]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明PLL已成功電聚合至電極表面。
同理,本文通過將SPCEs/PLL浸泡在5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液中并進(jìn)行CV掃描,表征PLL修飾電極表面是否成功電沉積納米金顆粒(圖2B曲線d)。結(jié)果顯示,其還原峰電流比PLL修飾電極提高約13 μA。這是因?yàn)榻鹁哂蟹浅:玫膶?dǎo)電性能[22],使得納米金修飾的電極可得到較大的還原電流值,且依然保持良好的可逆性能,從而為后續(xù)免疫傳感器的構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
圖3 不同SPCEs電極表面與水的接觸角Fig.3 Contact angles of different SPCEs with water A:unactivated SPCEs,B:activated SPCEs,C:SPCEs/ PLL,D:SPCEs/PLL/AuNPs
SPCEs電極表面的親水性對免疫傳感器的構(gòu)建具有重要影響。本文同時(shí)測定經(jīng)不同方法處理的電極工作表面與水的接觸角,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。結(jié)果顯示,未處理過的SPCEs電極表面與水的接觸角為131°,電活化后的SPCEs電極表面與水的接觸角為110°,經(jīng)PLL修飾后SPCEs/PLL電極表面與水的接觸角為81°,經(jīng)納米金/PLL修飾后SPCEs/PLL/AuNPs電極表面與水的接觸角為76°。可見,隨著處理的進(jìn)行,接觸角不斷減小,表明電極表面的親水性進(jìn)一步提高。這是由于未作任何處理的電極表面有較多疏水性的物質(zhì),所以電極表面親水能力很低。電活化處理后的電極,電極表面雜質(zhì)減少,親水能力提高,但接觸角仍然大于90°,電極表面不容易被潤濕,表現(xiàn)為疏水。電極表面經(jīng)PLL改性后,由于PLL薄膜表面具有豐富的羰基、氨基等基團(tuán),因此,電極表面的親水性得到大大提高(接觸角81°),電極表面從疏水變?yōu)橛H水。經(jīng)納米金進(jìn)一步修飾,電極表面的接觸角進(jìn)一步減小。由于金表面帶有較多的電荷且金納米顆粒的表面能較高,從而增強(qiáng)了電極表面親水性。通過電化學(xué)活化、覆蓋PLL膜、電沉積納米金等過程,工作電極由疏水變?yōu)橛H水,親水性得到較大提高,為后續(xù)免疫傳感器的構(gòu)建提供了良好基礎(chǔ)。
在電化學(xué)免疫傳感器的制備中,對構(gòu)建過程以及免疫反應(yīng)過程中的條件進(jìn)行優(yōu)化對于發(fā)揮傳感器的性能非常重要。本文對抗原的稀釋倍數(shù)、一抗的稀釋倍數(shù)、一抗的孵育時(shí)間以及電化學(xué)檢測體系的pH值進(jìn)行了優(yōu)化。
2.4.1 抗原稀釋倍數(shù)的優(yōu)化依據(jù)競爭型免疫分析原理,固定到電極工作界面上抗原量的多少直接影響免疫分析的信號大小以及靈敏度。一方面,固定的抗原過少會(huì)使得到的響應(yīng)信號偏小而易被噪聲干擾,降低免疫傳感器的穩(wěn)定性以及靈敏度;另一方面,固定的抗原過多會(huì)使得其與抗體結(jié)合的競爭能力相對于樣品中待測物過強(qiáng),而降低免疫分析的靈敏度。因此,選取合適的抗原稀釋倍數(shù)才能獲得良好的檢測結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)通過控制其他條件不變,梯度改變抗原的稀釋倍數(shù)為3 000、2 500、2 000、1 600、1 200、1 000和800倍,由此得到抗原稀釋倍數(shù)與響應(yīng)信號大小的關(guān)系(圖4A)。結(jié)果顯示,當(dāng)抗原的稀釋倍數(shù)從3 000倍減小至1 000倍時(shí),響應(yīng)信號逐漸增加。這主要是因?yàn)殡S著抗原濃度的增大,相同時(shí)間內(nèi)結(jié)合到電極表面的抗原增多,進(jìn)一步結(jié)合一抗、二抗的抗原越多,則響應(yīng)信號越大。但當(dāng)抗原稀釋倍數(shù)繼續(xù)減小至800倍時(shí),電極表面固定的抗原已達(dá)到飽和,致使空間位阻增大,影響了抗原與一抗的結(jié)合率,因此響應(yīng)信號反而減小。綜合考慮,選取1 000倍作為抗原的最佳稀釋倍數(shù)。
2.4.2 一抗稀釋倍數(shù)的優(yōu)化在競爭型免疫分析中,由于加入的一抗可同時(shí)與被固定的抗原或樣品中的待測物發(fā)生特異性結(jié)合,所以加入一抗量的多少對免疫分析有重大影響。若加入一抗的量過少,會(huì)使特異性結(jié)合到電極工作界面的一抗很少而得不到理想的響應(yīng)信號;若加入一抗的量過多,則會(huì)削弱電極界面上抗原與游離代謝物之間的競爭關(guān)系,無法檢出低濃度的待測物。固定抗原稀釋倍數(shù)為1 000倍,改變一抗稀釋倍數(shù)為3 000、2 000、1 600、1 000和800倍,體系的響應(yīng)信號如圖4B所示。隨著Ab1稀釋倍數(shù)的不斷減小,即抗體濃度不斷增大,傳感器的響應(yīng)信號逐漸增強(qiáng)。當(dāng)稀釋倍數(shù)繼續(xù)減小時(shí),信號開始快速增加,且一抗稀釋800倍和1 000倍的信號相當(dāng)??紤]到高濃度一抗會(huì)削弱傳感器對低濃度小分子的檢測靈敏度,因此,本研究選擇1 000倍作為一抗的最佳稀釋倍數(shù)。
2.4.3 一抗孵育時(shí)間的優(yōu)化選定抗原和一抗稀釋倍數(shù)為1 000倍,考察了一抗的孵育時(shí)間分別為20、40、60、80和120 min時(shí)免疫傳感器的檢測信號,結(jié)果如圖5A所示。由圖可知隨著一抗孵育時(shí)間的增大,免疫傳感器的響應(yīng)信號先增大后減小,因此選擇最佳的一抗孵育時(shí)間為60 min,以獲得較好響應(yīng)信號,同時(shí)可以節(jié)省時(shí)間。
2.4.4 pH值的優(yōu)化本方法的電化學(xué)信號來源于偶聯(lián)在二抗上的HRP對H2O2的催化作用。HRP是一種鐵卟啉蛋白,其催化活性易受外界條件的影響。因此,在電化學(xué)測試過程中,選取合適的pH值是保證HRP良好催化活性的重要條件。在室溫條件下,通過改變檢測體系的pH值為5.29、5.91、6.81、7.38、8.04、8.67,得到響應(yīng)信號與檢測體系pH值的關(guān)系曲線(圖5B)。從圖中可以看出,測試體系偏酸或偏堿時(shí),響應(yīng)信號均較小,這是由于一般蛋白質(zhì)在酸性或堿性條件下易變性,導(dǎo)致催化效率降低。當(dāng)測試體系的pH為7.38時(shí),其響應(yīng)信號最大,由于pH 7.4的環(huán)境在免疫分析中最為常用,本實(shí)驗(yàn)選取pH 7.4為最佳pH值。
在最優(yōu)條件下,通過測定一系列不同質(zhì)量濃度的BPA標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.5、1、5、10、50、100、250 ng/mL),得到響應(yīng)信號與BPA濃度的關(guān)系。結(jié)果顯示,當(dāng)BPA的質(zhì)量濃度在1~250 ng/mL范圍內(nèi),其質(zhì)量濃度對數(shù)lgCBPA與響應(yīng)信號ΔI之間存在良好的線性關(guān)系,其線性擬合方程為:ΔI=-(2.68±0.10)×lgCBPA+(9.72±0.15),相關(guān)系數(shù)r2=0.993,檢出限 (S/N=3)為0.85 ng/mL。方法的檢出限遠(yuǎn)低于國標(biāo)飲用水標(biāo)準(zhǔn)對BPA限制的最高濃度(10 ng/mL)[23],說明該BPA免疫傳感器可以滿足國標(biāo)的檢測要求。
圖6 BPA 免疫傳感器的特異性實(shí)驗(yàn)Fig.6 Specificity of BPA immunosensor
采用標(biāo)準(zhǔn)加入干擾小分子的方法對該免疫傳感器的特異性進(jìn)行驗(yàn)證。在1 ng/mL BPA標(biāo)準(zhǔn)樣品中分別加入相同濃度的苯并芘(BaP)、毒死蜱(CPF)、3-溴聯(lián)苯(BBP)和微囊藻毒素-LR(MC-LR),驗(yàn)證干擾小分子對響應(yīng)信號的影響情況。結(jié)果顯示,當(dāng)受到這4種干擾物影響時(shí),響應(yīng)信號的偏差為3.3%~6.0%(如圖6)。表明該免疫傳感器對BPA具有良好的特異性。
免疫傳感器的重現(xiàn)性通過批內(nèi)實(shí)驗(yàn)和批間實(shí)驗(yàn)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)來評估,批內(nèi)差異是指同一樣品濃度相同批次測試結(jié)果的RSD,而批間差異是指同一樣品濃度不同批次測試結(jié)果的RSD。當(dāng)BPA的檢測濃度分別為0、1、10 ng/mL,其批內(nèi)RSD分別為4.1%、3.4%、4.7%,批間RSD分別為3.2%、3.5%、4.5%。說明制備的BPA電化學(xué)免疫傳感器的重現(xiàn)性良好。
將固定抗原的絲網(wǎng)印刷電極SPCEs/PLL/AuNPs/Antigen置于4 ℃冰箱,保存5 d后對濃度為1 ng/mL的BPA進(jìn)行檢測,響應(yīng)電流值僅下降3.2%;保存10 d后繼續(xù)檢測,其響應(yīng)電流值僅下降5.4%。表明該免疫傳感器具有較好的穩(wěn)定性,可用于實(shí)際樣品中BPA的測定。
本實(shí)驗(yàn)以河水作為樣本,通過加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證BPA免疫傳感器在實(shí)際水樣檢測中的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,實(shí)際水樣中未檢出BPA,對水樣進(jìn)行加標(biāo),當(dāng)BPA的加標(biāo)濃度分別為1、10、50 ng/mL時(shí),其回收率分別為98.3%、104%、102%,表明BPA免疫傳感器可用于環(huán)境水樣中BPA的檢測。
本文通過電聚合法在絲網(wǎng)印刷碳電極工作表面依次修飾PLL和納米金顆粒,成功制備了BPA電化學(xué)免疫傳感器。在最優(yōu)條件下,所研制的免疫傳感器對BPA的檢測性能優(yōu)異,如較寬的線性范圍、較低的檢出限以及較好的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和特異性等,可用于BPA的低濃度檢測。所研制的基于絲網(wǎng)印刷碳電極的電化學(xué)免疫傳感器的操作過程簡便快捷、成本低,在環(huán)境污染物的靈敏快速檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景。