張磊，鄧健康，張富源

（1.天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院食品營養(yǎng)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300457；2.河南科技學(xué)院食品學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.衡水學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河北 衡水 053000；4.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，河北 保定 071001）

卡那霉素（kanamycin，KAN）作為一種氨基糖苷類抗生素被廣泛用于人和牲畜，目的是治療細(xì)菌感染、乳腺炎、羊痘以及肺炎等[1-2]。然而，隨著KAN的長期過量使用，其危害逐漸顯現(xiàn)，如哺乳期動物乳汁污染、動物組織積累和細(xì)菌耐藥性等，進(jìn)而對人體健康和環(huán)境安全造成威脅[3-4]。因此，非常需要開發(fā)一種簡單、快速和靈敏度高的新方法，用于定量檢測動物源性食品中痕量KAN殘留。目前，常用的檢測方法有高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）[5]和液質(zhì)聯(lián)用（high performance liquid chromatography with mass spectrometry，LC-MS）[6]，在定量和定性分析中具有明顯的優(yōu)勢。但是，這些方法同時也存在耗時、樣品預(yù)處理復(fù)雜、儀器精密以及專業(yè)技術(shù)要求高等不足[7]。為克服這些缺陷，研究者進(jìn)行了大量嘗試以開發(fā)用于KAN的快速且有效的檢測方法，包括：比色法（colo-rimetric assay，CA）[8]、熒光傳感器（fluoresence，F(xiàn)L）[2]和電化學(xué)生物傳感器（electrochemistry，EC）[9]等。其中，熒光傳感器由于具有制備簡單、易定量、高靈敏度以及高通量生物分析潛力等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于化學(xué)和生物分析領(lǐng)域[10-11]。

近年來，氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)（nitrogen-doped graphene quantum dots，N-GQDs）由于其量子產(chǎn)率更高和活性位點(diǎn)豐富而倍受關(guān)注。值得注意的是，N-GQDs通過控制其聚集/解離狀態(tài)，可以切換體系熒光淬滅/恢復(fù)[12]。因此，通過引入能誘導(dǎo)N-GQDs聚集/解離的特異性識別探針，可以制備一種具有高選擇性和優(yōu)異靈敏度的新型熒光傳感器。核酸適配體（aptamers，Apt）是一小段經(jīng)體外篩選得到的寡核苷酸序列，它不僅能與其互補(bǔ)鏈（complementary strand，CS）結(jié)合形成DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，還能與其目標(biāo)物進(jìn)行更強(qiáng)的高親和力特異性結(jié)合，因此可以勝任這一角色[13]。

本研究提出了一種新型熒光“開啟”策略，用于高靈敏度檢測動物源性食品中的卡那霉素（KAN）。其原理是基于不同狀態(tài)的適配體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換（Apt-CS/Apttarget）誘導(dǎo)N-GQDs聚集狀態(tài)發(fā)生改變（聚集/解聚），并最終引起體系熒光信號的淬滅/恢復(fù)，原理如圖1所示。通過這一策略，可以進(jìn)行KAN的檢測，并能作為原型擴(kuò)展到其它目標(biāo)物的檢測。

圖1 構(gòu)建適配體傳感器原理圖Fig.1 Schematic diagram of the designed aptasensor

1 材料與方法

1.1 試劑和儀器

KAN-Apt及其 3條互補(bǔ)鏈（CS）：Genewiz（蘇州）公司 [堿基序列如下：KAN-Apt：5′-TGGGGGTTGAGGCTAAGCCGA-（CH2）7-NH2-3′；互補(bǔ)鏈：包括 CS1（5′-NH2-（CH2）6-TCGGCTTAG-3′）、CS2（5′-NH2-（CH2）6-TCGGCTTAGCC-3′） 和 CS3 （5′-NH2-（CH2）6-TCGGCTTAGCCTC-3′）]；1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亞胺[1-Ethyl-3-（3-（dimethylamino）propyl）carbodiimide，EDC]、N-羥基琥珀酰亞胺酯（N-hydroxysuccinimide ester，NHS）：美國 Sigma-Aldrich 公司；檸檬酸（citric acid，CA）：加拿大 BioBasic公司；三（羥甲基）氨基甲烷[Tris（hydroxymethyl）aminomethane，Tris-HMA]、卡那霉素（KAN）：阿拉?。ㄉ虾＃┯邢薰尽Ｒ陨显噭┚鶠榉治黾?。

透射電子顯微鏡（2010 FEF）：日本JEOL公司；UV-Vis紫外可見分光光度計（Cary 50-Bio）：美國Varian公司；熒光分光光度儀（Thermo Lumina）：美國Thermo公司；傅立葉變換紅外光譜儀（Vector-22）：德國Bruker公司。

1.2 N-GQDs、N-GQDs-Apt和 N-GQDs-CS 的制備

N-GQDs采用CA和Tris-HMA混合物一步熱解法制成[14]。得到的N-GQDs溶液通過冷凍干燥24 h得到淡黃色粉末，棕色瓶中4℃保存。N-GQDs-Apt和N-GQDs-CS采用碳二亞胺化學(xué)縮合方法合成[12]。首先，取 10 mL N-GQDs懸浮液（0.4 mg/mL），加入 30 μL EDC（19 mg）和 NHS（22 mg）混合液，混合 30 min。然后，將混合液平均分成兩份，每份分別與24 μL氨基修飾的 KAN-Apt或 CS 溶液（100 μmol/L）混合 2 h，通過縮合反應(yīng)分別得到N-GQDs-Apt和N-GQDs-CS。接著超濾以除去過量的Apt/CS。最后，超濾過的復(fù)合物洗滌3次，分散于磷酸鹽緩沖液（phosphate buffer saline，PBS），4℃保存。通過添加過量的KAN-Apt和CS，使N-GQDs完全反應(yīng)，確保體系中N-GQDs之間最大程度聚集[12]。

1.3 構(gòu)建檢測體系

取500 μL N-GQDs-Apt，加入等體積N-GQDs-CS，20℃輕微攪拌10 min，通過簡單混合，構(gòu)建NGQDs-Apt/N-GQDs-CS適配體傳感器。通過優(yōu)化緩沖溶液pH值、N-GQDs濃度、CS序列長度、Apt與CS結(jié)合的孵育溫度和時間、KAN與Apt特異性結(jié)合的反應(yīng)溫度和時間等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得高靈敏度的熒光“開啟”適配體傳感器。

1.4 KAN測定

加入不同濃度的KAN，在330 nm激發(fā)波長下，記錄測定檢測體系（N-GQDs-Apt/N-GQDs-CS）的熒光光譜和熒光強(qiáng)度。具體而言，首先將50 μL不同濃度的KAN、150 μL N-GQDs-Apt/N-GQDs-CS 混合溶液和300 μL PBS溶液（pH 7.4）快速混合，20℃振蕩孵育15 min。接著，用λex=330 nm測量檢測體系熒光強(qiáng)度，并記錄其熒光光譜。最后，基于以上結(jié)果創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)曲線。此外，采用50 μL預(yù)處理樣品或加標(biāo)樣品代替標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行分析，根據(jù)工作曲線計算實(shí)際樣品中KAN濃度。

1.5 實(shí)際樣品準(zhǔn)備

所用動物源性食品樣品均從當(dāng)?shù)爻匈徺I。

熒光測定，對樣品進(jìn)行處理以去除蛋白質(zhì)和脂肪。牛奶和蜂蜜樣品采用三氯乙酸進(jìn)行預(yù)處理[15]。除每次離心前需要冰水浴超聲10 min外，魚肉、雞肉和雞蛋的預(yù)處理方法與牛奶和蜂蜜樣品處理方法基本相同。另外，在提取前，需要將它們分別搗碎、攪拌10 min得到均勻粉碎樣品。在測量之前，將濾液避光4℃保存。

樣品中加入 KAN 標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.2、1.0、2.5 ng/mL），采用牛奶和蜂蜜處理方法對加標(biāo)樣品進(jìn)行預(yù)處理并分析。

6個收集的實(shí)際樣品中加入KAN標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.2、1.0、2.5 ng/mL），采用牛奶和蜂蜜處理方法對加標(biāo)樣品進(jìn)行預(yù)處理，得到加標(biāo)樣品的上清液。之后，根據(jù)本研究方法分析所得加標(biāo)樣品，根據(jù)各樣品基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算各加標(biāo)樣品中KAN含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 N-GQDs、N-GQDs-Apt和 N-GQDs-CS 的制備和表征

為驗證N-GQDs-Apt、N-GQDs-CS的形態(tài)以及粒度分布，對它們進(jìn)行透射電鏡（transmission electron microscope，TEM）表征。結(jié)果如圖2。

圖2 所制備材料的TEM圖和粒徑分布Fig.2 TEM image and particle size statistics of the prepared materials

由圖2a、圖2b可知，所制備的N-GQDs-Apt/CS穩(wěn)定且分散良好。由圖2e、圖2f可知，N-GQDs-Apt的直徑主要在3.9 nm～5.4 nm之間，平均粒徑為4.56 nm，NGQDs-CS在3.6 nm～5.1 nm之間，平均粒徑為4.41 nm。比較發(fā)現(xiàn)，兩者粒徑有細(xì)微差別，前者的平均粒徑比后者稍大。此外，還對添加KAN前后的檢測體系進(jìn)行了TEM表征。由圖2c可知，N-GQDs-Apt/N-GQDs-CS混合物導(dǎo)致N-GQDs顯著聚集，表明Apt和CS有效雜交；由圖2d可知，將KAN添加到N-GQDs-Apt/NGQDs-CS混合體系后，發(fā)現(xiàn)大量N-GQDs顯著分散，表明加入KAN后阻礙了Apt和CS的雜交。

為驗證N-GQDs和N-GQDs-Apt/CS的成功合成，對3種材料進(jìn)行紫外-可見吸收光譜檢測，結(jié)果如圖3所示。

圖3 N-GQDs、N-GQDs-Apt、N-GQDs-CS 和混合體系紫外-可見吸收光譜Fig.3 UV-vis spectra of N-GQDs，N-GQDs-Apt/CS and the mixture system

結(jié)果顯示，N-GQDs-Apt與N-GQDs-CS除了具有N-GQDs的特征峰[在235 nm處的肩峰（C=C鍵的ππ*躍遷）和335 nm處明顯的紫外吸收峰（sp3團(tuán)簇中均勻的分布有sp2團(tuán)簇）[14]外，在260 nm處出現(xiàn)了一個新的ssDNA特征峰，這證明了N-GQDs與Apt/CS的成功偶合。另外，還對N-GQDs-Apt/N-GQDs-CS混合體系的紫外-可見吸收光譜進(jìn)行了測定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與單個組分相比，N-GQDs-Apt/N-GQDs-CS混合物的紫外-可見吸收光譜沒有明顯變化。

通過對N-GQDs和N-GQDs-Apt進(jìn)行傅立葉變換紅外光譜（fourier transform infrared spectrum，F(xiàn)TIR）表征，以獲得其化學(xué)和結(jié)構(gòu)信息，結(jié)果見圖4。

圖4 傅立葉紅外光譜光譜圖Fig.4 Fourier transform infrared spectroscopy

由圖4a可知，在N-GQDs的FTIR光譜圖中，明顯存在-OH、-NH和-COO-的伸縮振動峰，以及C-O拉伸和C-H彎曲的振動峰[16-18]。C=O振動和C=C拉伸峰表明合成的N-GQDs含有能提高水溶性的羰基[18]，C=C的伸縮振動峰表明其具有石墨烯六元環(huán)晶格結(jié)構(gòu)[14]。這些特征峰證實(shí)了本研究中N-GQDs的成功合成。此外，C-NH-C和-NH的伸縮振動峰則表明合成的N-GQDs成功引入了氮摻雜[19]。另外，由圖4b可知，當(dāng)引入KAN-Apt時，出現(xiàn)了4個新的振動峰：1 064.7 cm-1和1 132.2 cm-1處的峰歸因于2-脫氧核糖中C-O-C的不對稱拉伸和對稱磷酸鹽（PO2-）的振動；983.6 cm-1和802.3 cm-1處的峰歸因于Apt中P=O和P-O的伸縮振動。基于這些特征，表明N-GQDs與Apt實(shí)現(xiàn)了成功偶聯(lián)[20-21]。

為探究N-GQDs、N-GQDs-Apt/CS以及添加KAN前后檢測體系的光學(xué)特性，對它們的熒光光譜進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 熒光光譜分析Fig.5 Fluorescence spectral analysis

由圖 5a可知，N-GQDs-Apt/CS 在 λex/λem=330 nm/445 nm處具有最強(qiáng)的熒光信號，而兩者混合體系的發(fā)射光譜發(fā)生了明顯的熒光淬滅，熒光強(qiáng)度大幅下降67.8%以上，并且，它還發(fā)生了8 nm的紅移（λex/λem=330 nm/453 nm）。更有趣的是，隨著體系中加入KAN（50 ng/mL），其發(fā)射光譜的紅移又會隨著熒光恢復(fù)而逐漸消失。

同時，將N-GQDs-Apt與N-GQDs混合作為對照組，以測量體系FL強(qiáng)度的變化。由圖5b可知，對照組沒有發(fā)生明顯的熒光淬滅。此外，加入KAN后觀察到對照組的FL強(qiáng)度幾乎也沒有變化。這充分表明熒光淬滅是由Apt和CS雜交進(jìn)而引起N-GQDs聚集而導(dǎo)致的。

2.2 N-GQDs聚集引起體系熒光淬滅的原理

基于上述對 N-GQDs、N-GQDs-Apt、N-GQDs-CS和N-GQDs-Apt/N-GQDs-CS檢測體系的表征，研究了該方法的機(jī)理。添加KAN前，Apt-CS雜交會誘導(dǎo)N-GQDs聚集（圖2c），從而導(dǎo)致體系熒光明顯淬滅。同時，體系熒光發(fā)射光譜發(fā)生紅移，而吸光度沒有變化。基于這些結(jié)果，證明發(fā)生了有效的激子能量轉(zhuǎn)移[12]。相反，體系中添加KAN（50 ng/mL）后，它與N-GQDs-Apt之間的特異性識別和結(jié)合引起Apt的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。這限制了Apt-CS的雜交，導(dǎo)致N-GQDs解聚（圖2d），并削弱了N-GQDs之間的激子能量轉(zhuǎn)移，最后體系FL強(qiáng)度得以顯著恢復(fù)。

2.3 條件優(yōu)化

據(jù)研究，KAN熒光測定受試驗條件的影響非常明顯。為獲得靈敏度更高的熒光適配體傳感器，本研究對包括緩沖溶液pH值、N-GQDs濃度、CS序列長度、Apt與CS結(jié)合的孵育溫度和時間、目標(biāo)物與Apt特異性識別的反應(yīng)溫度和時間等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化?；趦?yōu)化結(jié)果，最終選取最佳條件為：pH 7.4、CS2（11 bp）、CN-GQDs=0.4 mg/mL、20℃孵育10 min，加入KAN后，20℃反應(yīng)15 min。最后，測定體系FL強(qiáng)度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算KAN含量。

2.4 KAN檢測和繪制校準(zhǔn)曲線

在最佳條件下，分析不同KAN濃度下構(gòu)建的適配體傳感器的熒光光譜，如圖6所示。

圖6 不同KAN濃度下構(gòu)建的適配體傳感器的熒光光譜分析Fig.6 Fluorescence spectrum analysis of aptamer sensors constructed at different Kan concentrations

所制備的傳感器的熒光強(qiáng)度變化和KAN濃度在0.1ng/mL～10.0ng/mL范圍內(nèi)保持線性關(guān)系。校準(zhǔn)曲線可用公式（F-F0）/F0=0.1382C[KAN]+0.0015表示，相關(guān)系數(shù)為0.999 2。檢測限（limit of detection，LOD）為0.036 ng/mL。

2.5 選擇性

通常畜牧生產(chǎn)過程中會使用多種抗生素，所以會導(dǎo)致動物性產(chǎn)品中多種抗生素的殘留[1]。因此，應(yīng)研究常見抗生素共存下本方法的靶標(biāo)特異性，以消除其它常見抗生素的潛在干擾。本試驗研究了在氨基糖苷類抗生素和其它主要抗生素共存下體系的熒光特性，結(jié)果見圖7。

圖7 N-GQDs-Apt/N-GQDs-CS對KAN共存物的選擇性Fig.7 Selectivity of N-GQDs-Apt/N-GQDs-CS for

由圖7a可知，僅有KAN引起體系熒光強(qiáng)度的顯著變化（36.5%）。其它常見的抗生素?zé)o明顯作用（＜5%）。結(jié)果表明，所開發(fā)的體系對KAN的選擇性明顯高于其它常見抗生素。

為進(jìn)一步研究其它抗生素對體系的影響，將其中兩種氨基糖苷類抗生素，慶大霉素（gentimicin，GEN）和硫酸鏈霉素（streptomycin sulphate，STR）以及常見的氨芐西林（ampicillin，AMP）進(jìn)行競爭性試驗。由圖7b可知，在同時添加5倍濃度上述3種抗生素的情況下，與僅添加KAN的體系相比，未觀察到體系熒光回收率有顯著差異。可以看出，該結(jié)果主要?dú)w因于所構(gòu)建的熒光適配體傳感器中適配體與KAN的特異性結(jié)合，而與非特異性結(jié)合無關(guān)。因此，開發(fā)的傳感器具有很高的選擇性優(yōu)勢，為復(fù)雜基質(zhì)樣品中KAN的檢測提供了一種新的有效方法。

2.6 方法精密度

本研究中，對 3個濃度（0.2、1.0、2.5 ng/mL）的KAN標(biāo)準(zhǔn)溶液分別在不同時間進(jìn)行熒光檢測，以評價本方法的穩(wěn)定性。通過對同一樣品進(jìn)行日內(nèi)和日間重復(fù)熒光檢測，得到本方法的日內(nèi)和日間精密度。結(jié)果表明，本方法的日內(nèi)和日間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）（n=6） 較小，分別為 0.5%～2.3%和0.9%～4.0%。因此，該方法非常適于痕量KAN的檢測，結(jié)果見表1。

表1 方法的日內(nèi)和日間精密度（n=6）Table 1 The intra-and inter-day precisions of the assay（n=6）

2.7 實(shí)際樣品分析

動物源性實(shí)際樣品中含有一定濃度的氨基酸、糖類和金屬離子等成分，它們可能會對KAN檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。本研究對上述各類共存物進(jìn)行了干擾試驗，以驗證本研究方法對動物源性食品樣品的適用性。主要包括兩部分內(nèi)容：第一，通過單獨(dú)添加共存物或KAN，比較它們對體系熒光強(qiáng)度的影響；第二，通過同時添加目標(biāo)物和上述各共存物，比較共存物對體系熒光恢復(fù)效率的影響。各共存物對體系熒光強(qiáng)度的影響見圖8。

圖8 干擾試驗Fig.8 Interference experiment

由圖8a可知，單獨(dú)添加各共存物對體系熒光均無顯著影響；由圖8b可知，同時添加各共存物和KAN時，體系熒光的恢復(fù)程度也與單獨(dú)添加KAN時相當(dāng)（KAN、各種氨基酸和糖類濃度為2.5 ng/mL，金屬離子濃度為KAN濃度的10倍）。結(jié)果表明，各氨基酸、糖類和金屬離子等主要共存物對檢測體系用于KAN檢測并無顯著干擾。

本研究還通過多個濃度加標(biāo)樣品檢測，繪制了基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線，并計算了各樣品的檢出限。結(jié)果如圖9。

圖9 加標(biāo)樣品中熒光強(qiáng)度變化（F/F0-1）與KAN濃度的線性校準(zhǔn)曲線Fig.9 The linear calibration of the fluorescence intensity variation（F/F0-1）versus KAN concentration in spiked samples

由圖9可知，5種動物源性食品樣品均表現(xiàn)出較低的檢出限（0.044 ng/mL～0.074 ng/mL）。所以，上述干擾試驗、基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線和樣品檢出限的結(jié)果很好地證明了本研究所構(gòu)建體系對動物源性食品樣品中KAN痕量檢測的適用性。

此外，本研究還對6個未知實(shí)際樣品[牛奶、魚（2個）、雞肉、雞蛋、蜂蜜]進(jìn)行加標(biāo)回收試驗，以此驗證本方法的適用性和準(zhǔn)確性。結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)際樣品中KAN的檢測（n=3，pH 8.0）Table 2 Analytical results for KAN detecting in actual samples（n=3，pH 8.0）

由表2可知，一個魚肉樣品（0.11 ng/mL）和另一蜂蜜樣品（0.16ng/mL）中檢測出痕量KAN殘留物，但是它們都遠(yuǎn)低于允許的最大殘留量（150ng/mL～200ng/mL）。其它樣品的結(jié)果則均為陰性。結(jié)果顯示，各不同濃度加標(biāo)樣品的測量值與KAN添加量保持一致，定量回收率在96.5%～106.9%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）小于4.0%。鑒于以上結(jié)果，證明了該方法具有良好的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，能用于動物源性食品中KAN檢測。

另外，還對本方法與已發(fā)表的方法進(jìn)行了比較，結(jié)果如表3所示。

表3 不同KAN測定方法的比較Table 3 Comparison of different methods for the determination of KAN

比較發(fā)現(xiàn)，本研究方法具有優(yōu)于同類型熒光適配體方法的優(yōu)勢，而與其它方法相當(dāng)。值得注意的是，基于其極為簡單的反應(yīng)過程，本研究方法（包含樣品提取過程在內(nèi)）的整個測試過程可在45 min內(nèi)完成，因此更加方便有效。總之，這些結(jié)果表明，本研究中開發(fā)的基于N-GQDs-Apt結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換誘導(dǎo)N-GQDs聚集/解聚的熒光“開啟”適配體傳感器具有在動物源性食品等復(fù)雜基質(zhì)樣品中高靈敏度快速檢測KAN的潛在適用性。

3 結(jié)論

本研究開發(fā)了一種新型的基于Apt結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的熒光“開啟”適配體傳感器，該傳感器能誘導(dǎo)N-GQDs的聚集/解離行為。它被證明適用于動物源性食品中卡那霉素（KAN）的高靈敏度和高效檢測。與以前的方法相比，所提出的策略具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，Apt的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換誘導(dǎo)N-GQDs的聚集/分解行為，使體系具有更高的靈敏度和出色的選擇性；其次，構(gòu)建的N-GQDs-Apt/N-GQDs-CS檢測體系具有簡單、快速的特點(diǎn)；最后，它成功用于檢測復(fù)雜基質(zhì)樣品中的KAN?？傊狙芯恐袠?gòu)建的適配體傳感器顯示出許多突出的優(yōu)點(diǎn)，包括易于制備、效率高、靈敏度高、特異性好和成本低等。這為分析復(fù)雜基質(zhì)樣品中的痕量目標(biāo)物提供了一種新的有效策略。