李宣儀,劉沙沙,劉 梅
(陜西師范大學 食品工程與營養(yǎng)科學學院,陜西 西安 710119)
赭曲霉毒素A(ochratoxin A,OTA)是自然界最為豐富的真菌毒素之一[1-3],其毒性大、化學性質(zhì)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性高且對農(nóng)產(chǎn)品的污染最為嚴重,因與人類健康密切相關(guān)而受到廣泛關(guān)注。為了減少食品中真菌毒素對人體健康的危害,許多國家和國際機構(gòu)已對食品中部分真菌毒素設(shè)定了最高限量。在我國,根據(jù)GB 2761—2017《食品安全國家標準 食品中真菌毒素限量》規(guī)定,葡萄酒中赭曲霉毒素A的限量標準為2.0 μg/kg,咖啡豆和咖啡粉中赭曲霉毒素A的限量標準為5.0 μg/kg,速溶咖啡中赭曲霉毒素A的限量標準為10.0 μg/kg。
OTA的傳統(tǒng)檢測方法主要有常規(guī)色譜法(如薄層色譜法和紫外可見光法)、熒光或質(zhì)譜聯(lián)用法、高效液相色譜法(HPLC)和氣相色譜法(GC)等[4-6]。然而,這些方法存在各自的缺陷,例如耗時長、所需儀器昂貴、對工作人員技術(shù)水平要求較高或樣品制備復雜等,影響了其大范圍應(yīng)用。近年發(fā)展起來的酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)[7-8]雖然從一定程度上克服了上述困難,但其檢測過程涉及繁瑣的洗滌步驟,且需要對抗體的儲存和應(yīng)用條件進行嚴格控制,限制了其在生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。
適配體作為目前應(yīng)用前景較為廣闊的一種分子受體,是1條長度小于25 kDa的短單鏈核苷酸,可以在隨機單鏈文庫中利用SELEX(systematic evolution of ligands by exponential enrichment)方法體外篩選得到[9]。與抗體不同,適配體可以與目標物進行高親和力和高特異性的結(jié)合,轉(zhuǎn)化為精確的三維構(gòu)象[10]。雖然適配體的結(jié)合能力與抗體相似,但其合成更為簡便,穩(wěn)定性更高[11-13]。由于適配體的選擇性強、成本低廉且在多種條件下都具有高熱穩(wěn)定性[14-15],已逐漸廣泛應(yīng)用于多種靶分子(肽、氨基酸、蛋白質(zhì)、有機分子、無機分子等)的檢測[16-18]。同時,適配體也被認為是生物傳感器的理想識別元件[19],并越來越多地應(yīng)用于醫(yī)療[20]、環(huán)境監(jiān)測[21]和食品分析等領(lǐng)域。
氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是石墨烯的氧化物,具有單個原子層,其表面的六元環(huán)可以通過與DNA基本環(huán)狀結(jié)構(gòu)的π—π堆積作用實現(xiàn)表面DNA吸附,進而猝滅標記有6-羧基熒光素(FAM)的DNA。據(jù)文獻報道,氧化石墨烯可以有效地猝滅FAM熒光,且FAM可以在遠離氧化石墨烯的情況下恢復熒光[22],而酶可以在上述目標物的循環(huán)利用過程中起到信號放大作用。因具有良好的親水性、生物相容性、安全性和無毒性,氧化石墨烯非常適用于食品中真菌毒素的檢測。聚乙烯基吡咯烷酮(poly-vinylpyrrolidone,PVP)是一種非離子型高分子化合物,可溶于水,毒性低且生理相容性好,在醫(yī)藥、食品和化妝品等領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。
基于此,本研究選用氧化石墨烯作為檢測赭曲霉毒素A的猝滅劑,使用PVP作為氧化石墨烯的包被材料[22-23],試圖通過借助PVP修飾的氧化石墨烯減弱赭曲霉毒素A和氧化石墨烯之間的非特異性吸附,降低背景;同時利用脫氧核糖核酸酶Ⅰ(DNase Ⅰ)催化靶標再循環(huán),放大相關(guān)熒光信號,提高檢測的靈敏度,進而實現(xiàn)對赭曲霉毒素A快速、準確、靈敏的檢測。
FAM(6-羧基熒光素)修飾的適配體寡核苷酸序列(5′-FAM-GATCGGGTGTGGGTGGCGTAAAGGGAGCATCGGACA-3′)由上海生物工程股份有限公司合成。
氧化石墨烯(GO)、赭曲霉毒素A(ochratoxin A,OTA)、赭曲霉毒素B(ochratoxin B,OTB)、赭曲霉毒素C(ochratoxin C,OTC)、玉米赤霉烯酮(zearalenone,ZEN)和華法林(warfarin)購自美國Sigma-Aldrich公司。通過將OTA溶解在無水乙醇中,并在20 ℃條件下儲存,獲得OTA儲備溶液(1 mmol/L)。脫氧核糖核酸酶Ⅰ(deoxyribonuclease Ⅰ,DNase Ⅰ)購自寶生物工程(大連)有限公司。聚乙烯基吡咯烷酮(PVP,分子重為8 000、24 000、58 000)購自阿拉丁試劑(上海)有限公司。氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)和無水氯化鈣(CaCl2)購自北京化學試劑公司。Tris(C4H11NO3)購自北京索萊寶科技有限公司。所有化學品均為分析純,使用前未進一步純化。實驗中使用的水均為超純水(Millipore-Q 18.2 MΩ·cm),由純水裝置處理所得。
實驗所用儀器和設(shè)備如下:F-4600熒光分光光度計(日本日立公司)、圓二色光譜儀(UK Applied Photonics)、U-3000高效液相色譜儀(American Thermal Power 公司)、Thermo Scientific Orion Star A111臺式pH測量儀(Thermo Fisher Scientific 公司)、QB-600高速振蕩混合器(海門市其林貝爾儀器制造有限公司)、金屬浴(卡尤迪生物科技有限公司)、超純水裝置(Millipore Simplicity 185)、Allegra X-30R型多功能臺式離心機(美國貝克曼庫爾特有限公司)、恒溫混合器(杭州典盛儀器有限公司)。實驗中記錄反應(yīng)體系在492 nm波長激發(fā)下,發(fā)射波長為500~630 nm的發(fā)射光譜。
1.3.1 適配體構(gòu)象改變的圓二色光譜圖分析
(c)I borrowed the book from the library, I can keep for a week.
使用前將圓二色光譜儀用干燥的純化氮氣脫氧,并在實驗期間維持在氮氣環(huán)境中。將DNA適配體溶液(1 μmol/L)放入圓二色光譜儀的光學室(路徑長度為1 cm,體積為1 mL)進行掃描,掃描速度為200 nm/min;采用1 nm的帶寬和1 s的時間常數(shù),以0.1 nm的間隔收集240~340 nm的數(shù)據(jù),每個溶液掃描3次。圓二色光譜圖扣除緩沖溶液的背景信號。
1.3.2 赭曲霉毒素A的測定
按照訂購說明,在上海生物工程股份有限公司合成的適配體DNA(aptamer)序列中加入相應(yīng)體積的10 mmol/L Tris-HCl 緩沖溶液(120 mmol/L NaCl、5 mmol/L KCl、20 mmol/L CaCl2,pH=8.0),水浴加熱到 90 ℃,維持10 min ,逐漸冷卻至室溫,儲存于4 ℃冰箱中冷藏備用。
在赭曲霉毒素A的測定中,先使用10 mmol/L Tris-HCl緩沖液將FAM標記的適配體DNA儲備溶液稀釋至200 nmol/L,再將50 μL上述適配體DNA溶液與25 μL不同濃度的赭曲霉毒素A溶液在37 ℃水浴中混合30 min;加入20 μL的40 μg/mL氧化石墨烯/聚乙烯吡咯烷酮(GO/PVP)溶液并在室溫下孵育30 min,加入40 U DNase Ⅰ后繼續(xù)孵育40 min,加入10 mmol/L Tris-HCl緩沖液至反應(yīng)體系總體積為200 μL。反應(yīng)體系震蕩均勻后通過F-4600熒光分光光度計測量熒光強度。OTA檢測限的計算方法為3σ/S,其中,σ為11次空白樣品的標準偏差,S為得到的線性關(guān)系斜率。
1.3.3 方法選擇特異性驗證
選擇OTA的結(jié)構(gòu)類似物OTB、OTC、華法林及其他真菌毒素ZEN作為干擾物質(zhì)代表(1 μmol/L,體積分數(shù)為75%的甲醇溶液溶解),以對應(yīng)波長520 nm處的熒光強度為指標,基于DNaseⅠ輔助的目標物循環(huán)信號放大方式檢測對靶標毒素OTA的選擇特異性。
1.3.4 樣品加標檢測
按照國標GB 5009.96—2016中高效液相-熒光方法檢測紅酒和咖啡粉中赫曲霉毒素A的操作對樣品進行處理。
紅酒空白處理如下:實驗前將待測紅酒置于4 ℃冰箱冷藏30 min,過濾或超聲脫氣后使用。稱取10 g 預處理紅酒,加入6 mL提取液(氫氧化鉀溶液(0.1 mol/L)∶甲醇∶水=2∶60∶38,體積比)混勻,氫氧化鉀溶液(0.1 mol/L)調(diào)pH至10.0,進行固相萃取凈化。紅酒加標處理如下:在10 g預處理后的紅酒中加入赭曲霉毒素A標準溶液,其他操作同紅酒空白。使用本方法進行檢測,并與標準高效液相-熒光檢測方法(GB 5009.96—2016)進行比較。
咖啡粉空白處理如下:稱取2.5 g咖啡粉,加入25 mL提取液(甲醇∶碳酸氫鈉溶液(30 g/L)=1∶1,體積比),于漩渦振蕩器上振蕩提取3~5 min,4 000 r/min離心10 min,濾紙過濾,取濾液10 mL進行固相萃取凈化??Х确奂訕颂幚砣缦拢涸跇悠分屑尤媵髑苟舅谹 標準溶液,其他操作同樣品空白。使用本方法進行檢測,并與標準高效液相-熒光檢測方法(GB 5009.96—2016)進行比較。
圖1為基于DNase Ⅰ輔助的目標物循環(huán)信號放大方式檢測赭曲霉毒素A的原理示意圖,其基本過程如下:當OTA不存在時,F(xiàn)AM標記的OTA適配體通過氧化石墨烯和核苷酸堿基之間的π—π堆疊,吸附到氧化石墨烯表面;由于從能量供體FAM到受體氧化石墨烯的距離縮短,產(chǎn)生了從FAM到氧化石墨烯的熒光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng),F(xiàn)AM熒光可以有效地被氧化石墨烯猝滅。當OTA存在時,經(jīng)SELEX技術(shù)篩選得到的OTA適配體可以與OTA發(fā)生特異性結(jié)合[24],并從氧化石墨烯表面脫離,同時適配體構(gòu)象從單鏈的柔性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉雌叫械腉-四鏈體結(jié)構(gòu)[25],氧化石墨烯對OTA適配體上標記的FAM的猝滅作用減弱,F(xiàn)AM的熒光恢復。
圖1 基于DNase Ⅰ輔助的目標物循環(huán)信號放大方式檢測赭曲霉毒素A的原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of OTA detection based on DNase Ⅰ-assisted target recycling signal amplification method
基于此,本方法通過監(jiān)測FAM的熒光恢復程度量化OTA濃度。有文獻報道,OTA在氧化石墨烯表面具有一定的吸附作用[22],會限制目標物循環(huán),降低檢測靈敏度。針對該問題,本研究中引入了氧化石墨烯的包被材料聚乙烯基吡咯烷酮,以減弱目標物OTA和氧化石墨烯之間的非特異性吸附。同時,傳統(tǒng)方法中每個靶標僅與1個適配體結(jié)合,極大地限制了測定OTA的靈敏度。因此,本研究中引入脫氧核糖核酸酶Ⅰ,使反應(yīng)體系發(fā)生靶標循環(huán),最終達到信號放大的目的。脫氧核糖核酸酶Ⅰ可以水解游離的FAM適配體,得到游離的FAM熒光素和目標物OTA,而釋放的OTA可以與另一個適配體結(jié)合,之后再被水解,最終形成OTA的循環(huán)使用,釋放出越來越多的FAM熒光素,引起信號放大,從而實現(xiàn)有選擇性地靈敏檢測OTA。
通過記錄圓二色光譜對FAM標記的適配體DNA在不同條件下的構(gòu)象變化進行表征(圖2)。結(jié)果顯示,加入OTA后(曲線b),F(xiàn)AM標記適配體的圓二色光譜在290 nm處呈現(xiàn)出較強的正峰,在265 nm附近呈現(xiàn)出較強的負峰。這一現(xiàn)象由適配體中反向平行G-四鏈體結(jié)構(gòu)的形成引起[26],而適配體與OTA的結(jié)合導致橢圓率增加。當體系中脫氧核糖核酸酶Ⅰ存在時,由于脫氧核糖核酸酶Ⅰ對DNA鏈具有水解作用, G-四鏈體結(jié)構(gòu)被破壞,圓二色光譜圖隨之發(fā)生變化(曲線c)。
a.適配體;b.適配體+OTA;c.適配體+OTA+DNase Ⅰ。
基于DNase Ⅰ輔助的目標物循環(huán)信號放大方式檢測赭曲霉毒素A方法的可行性驗證結(jié)果如圖3所示??梢钥闯觯擣AM標記的適配體受到一定波長的激發(fā)時,會在518 nm處檢測出熒光(曲線a)。而在氧化石墨烯存在的情況下,吸附在氧化石墨烯表面的適配體使得FAM到氧化石墨烯之間的距離縮短,產(chǎn)生FAM與氧化石墨烯之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng),F(xiàn)AM的熒光被猝滅(曲線b)。作為本研究的猝滅劑,氧化石墨烯可以有效地猝滅FAM約89%的熒光。加入OTA后FAM的熒光得到恢復,熒光強度與沒有OTA的情況相比有所增強(曲線c)。上述過程中,OTA和適配體之間的強親和力具有關(guān)鍵作用,由于OTA適配體反平行G-四鏈體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性高,導致G-四鏈體結(jié)構(gòu)的形成阻止了FAM標記的適配體吸附到氧化石墨烯表面。此外,在體系中DNase Ⅰ存在的情況下熒光強度顯著增強(曲線d),信號強度約為無酶放大傳統(tǒng)策略的4倍。產(chǎn)成該現(xiàn)象的原因是:DNase Ⅰ催化的OTA適配體反平行G-四鏈體結(jié)構(gòu)復合物被破壞,目標物OTA釋放,釋放的OTA與另一個吸附在氧化石墨烯表面的FAM標記適配體結(jié)合,導致OTA分析物的循環(huán)利用和信號放大。上述結(jié)果表明,通過監(jiān)測適配體傳感平臺熒光強度的變化來測量OTA濃度的方法可行。
a.適配體(50 nmol/L),b.適配體(50 nmol/L)+GO(3 μg/mL)/PVP(10 nmol/L),c.適配體(50 nmol/L)+GO(3 μg/mL)/PVP(10 nmol/L)+OTA(50 nmol/L),d.適配體(50 nmol/L)+GO(3 μg/mL)/PVP(10 nmol/L)+OTA(50 nmol/L)+DNase Ⅰ(50 U)。
2.4.1 氧化石墨烯濃度的優(yōu)化
氧化石墨烯作為本方法的猝滅劑,其濃度非常重要。本研究比較了氧化石墨烯在質(zhì)量濃度為0、2、4、6、8和10 μg/mL的情況下,不存在和存在OTA時反應(yīng)體系的熒光強度比(圖4)。熒光強度比通過F/F0-1進行計算,其中F0和F分別為不存在和存在250 nmol/L OTA時體系中加入各濃度氧化石墨烯后的熒光強度。一般來說,使用的氧化石墨烯越多,越能有效地吸附單鏈DNA,猝滅效率越高;但過量的氧化石墨烯可能會包裹G-四鏈體DNA,也會猝滅熒光。因此,隨著氧化石墨烯質(zhì)量濃度的增加,體系的熒光強度比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,氧化石墨烯質(zhì)量濃度為4 μg/mL時體系具有最優(yōu)熒光強度比。
圖4 不同氧化石墨烯質(zhì)量濃度下反應(yīng)體系的熒光強度和熒光強度比Fig.4 Fluorescence intensities and fluorescence intensity ratios ofthe reaction systems with different concentrations of graphene oxide
2.4.2 PVP濃度和分子量的優(yōu)化
PVP用量是影響OTA和氧化石墨烯之間非特異性吸附的重要因素。本實驗研究了在氧化石墨烯質(zhì)量濃度為4 μg/mL的條件下,PVP溶液物質(zhì)的量濃度分別為0、5、10、25、50和100 nmol/L時,樣品的熒光強度,結(jié)果如圖5所示。當PVP濃度過高時,其在氧化石墨烯上吸附占據(jù)了過多的結(jié)合位點,阻止了FAM標記的適配體與氧化石墨烯作用,降低了氧化石墨烯的猝滅效率(圖5a)。此外,PVP包被的氧化石墨烯還可以有效阻止目標分子與氧化石墨烯之間的非特異性吸附。由熒光強度比的結(jié)果可以看出,PVP的最佳物質(zhì)的量濃度為10 nmol/L(圖5b)。
圖5 不同PVP物質(zhì)的量濃度下反應(yīng)體系的熒光強度和熒光強度比Fig.5 Fluorescence intensities and fluorescence intensity ratios of the reaction systems with different concentrations of PVP
實驗還研究了使用不同分子量的PVP(8 000、24 000、58 000)對體系熒光強度的影響,結(jié)果如圖6所示。可以看出,當PVP的分子量為24 000時,熒光強度比值最高(圖6b)。因此,后續(xù)實驗中選擇分子量為24 000的PVP作為實驗材料。
圖6 不同分子量PVP條件下反應(yīng)體系的熒光強度和熒光強度比Fig.6 Fluorescence intensities and fluorescence intensity ratios of the reaction systems with different PVP molecular weights
2.4.3 DNase Ⅰ用量的優(yōu)化
為了使檢測體系的性能達到最佳,對DNase Ⅰ的活性進行優(yōu)化,結(jié)果如圖7所示。可以看出,當DNase Ⅰ活性較小時,無法將從氧化石墨烯表面脫落下來的游離G-四鏈體DNA完全水解,產(chǎn)生的熒光信號較低。隨著DNase Ⅰ活性的增加,越來越多的G-四鏈體DNA被水解,熒光強度急劇增加。當DNase Ⅰ活性增加至40 U時,熒光強度基本達到平臺期。因此,在后續(xù)實驗中DNase Ⅰ的活性選擇40 U。
圖7 DNase Ⅰ活性對反應(yīng)體系熒光強度的影響Fig.7 Effect of DNase Ⅰ activities on the fluorescence intensities of the reaction system
2.4.4 孵育時間的優(yōu)化
為了獲得最適宜的孵育時間,對體系中加入DNase Ⅰ后的反應(yīng)時間進行優(yōu)化,結(jié)果如圖8所示。加入DNase Ⅰ后分別令體系反應(yīng)5、10、20、30、40、50、60、70和80 min,記錄測量得到的熒光強度??梢钥闯?,熒光強度在反應(yīng)初始階段急劇增加,當反應(yīng)時間延長至40 min時,熒光強度達到最大值。此后孵育時間繼續(xù)延長,熒光強度不再繼續(xù)增加,推測40 min時FAM修飾的適配體與靶分子之間的特異性結(jié)合達到飽和。因此,選擇DNase Ⅰ的作用時間為40 min。
圖8 DNase Ⅰ作用時間對反應(yīng)體系熒光強度的影響Fig.8 Effect of incubation times of DNase Ⅰ on thefluorescence intensities of the reaction system
將FAM修飾的適配體與OTA提前混合,保證二者之間作用充分。圖9a為熒光強度對OTA物質(zhì)的量濃度的響應(yīng)情況,可以看出熒光強度隨著OTA物質(zhì)的量濃度(0~5 μmol/L)的增加而增強。將圖9a中熒光光譜的最大發(fā)射峰強度繪制為OTA物質(zhì)的量濃度的函數(shù)(圖9b),得到OTA的線性檢測范圍為25~250 nmol/L,回歸方程為y=1.667 9x+39.133 9(R2=0.994),計算出的OTA檢測限(LOD)為9.38 nmol/L(信噪比為3)。
圖9 熒光強度對OTA濃度的響應(yīng)情況Fig.9 Response of fluorescence intensities to OTA concentrations
據(jù)文獻報道,利用EWA生物傳感平臺,或者使用納米石墨材料或單壁碳納米管(SWCNHs)作為體系的熒光猝滅劑,其OTA檢測體系的LOD值結(jié)果如表1所示。比較發(fā)現(xiàn),本方法的檢測限低于先前沒有使用DNase Ⅰ檢測方法的檢測限。例如,在利用EWA生物傳感平臺檢測OTA的方法中,其LOD值為975 nmol/L[27]。這主要是由于本方法中DNase Ⅰ的有效催化活性實現(xiàn)了目標物的循環(huán)利用,產(chǎn)生了信號放大的效果。
表1 本方法與其他OTA檢測方法檢測限的比較Tab.1 LOD comparison with other OTA detection methods
為了評估構(gòu)建的酶輔助信號放大熒光法對靶標毒素OTA的選擇特異性,選擇OTA結(jié)構(gòu)類似物OTB、OTC、華法林和真菌毒素ZEN作為干擾物質(zhì)分別加入檢測體系,使體系中毒素的物質(zhì)的量濃度為250 nmol/L,監(jiān)測系統(tǒng)熒光強度的變化情況,結(jié)果如圖10所示。可以看出,只有當靶標毒素OTA存在時體系才會產(chǎn)生非常顯著的熒光特異性響應(yīng),OTA的結(jié)構(gòu)類似物OTB、OTC、華法林和真菌毒素ZEN不會引起體系熒光強度的明顯增加,表明該熒光分析法對靶標毒素 OTA具有良好的選擇特異性。
圖10 OTA檢測體系的選擇特異性Fig.10 Selectivity of the sensor toward OTA
為了驗證該方法的可靠性,在紅葡萄酒和2種咖啡樣品中添加4 種不同濃度的OTA標準溶液,采用構(gòu)建好的酶輔助信號放大熒光法測定樣品的熒光強度, 按照標準曲線計算得到樣品的OTA濃度(圖11),進而確定該方法對紅葡萄酒和咖啡樣品中不同濃度OTA的加標回收率和精密度。將本方法的測定結(jié)果與標準HPLC方法的測定結(jié)果進行比較(表2),可以看出本方法具有良好的有效性,回收率為96.78%~110.97%,標準偏差為1.23%~5.00%,適用于實際樣品中OTA的檢測。
圖11 使用本方法得到的OTA樣品檢測標準曲線Fig.11 Linear relationships between fluorescence intensities and the concentrations of OTA using the constructed method
表2 方法的回收率和精密度測定結(jié)果Tab.2 The recovery rate and precision of the method
研究提出一種基于DNase Ⅰ酶輔助的目標物循環(huán)信號放大策略用于樣品中OTA的檢測。該方法利用了氧化石墨烯和靶標適配體的優(yōu)點,同時結(jié)合DNase Ⅰ的水解作用實現(xiàn)了目標物的循環(huán)利用,達到了信號放大的目的。通過考察氧化石墨烯濃度、PVP濃度及分子量、DNase Ⅰ活性和孵育時間對檢測OTA的影響,獲得了最佳檢測條件。該方法在OTA物質(zhì)的量濃度為25~250 nmol/L的范圍內(nèi),熒光強度與樣品中OTA濃度之間具有良好的線性關(guān)系,其檢測限為9.38 nmol/L,回收率為96.78%~110.97%,標準偏差為1.23%~5.00%,對紅酒、白咖啡和速溶咖啡等實際樣品中的OTA檢測均具有較好效果。本研究構(gòu)建的方法操作簡便,選擇性和可靠性好,可用于樣品中OTA的檢測,并為食品中其他真菌毒素的檢測提供了新思路。