熊威威,汪 鵬,李文恒,向東山?,翟 琨?
1. 湖北民族大學(xué)生物資源保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北恩施445000;2. 湖北民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北恩施445000
氯霉素(chloramphenicol, CAP)是一種應(yīng)用廣泛的廣譜抗生素,對(duì)大多數(shù)霉菌感染都有良好的抑制作用[1,2]。研究表明,人體吸收過(guò)量的CAP 會(huì)導(dǎo)致再生障礙性貧血、白血病和灰嬰綜合征等疾病[3]。CAP 在許多國(guó)家已被禁止使用,在我國(guó)也被禁止用于畜牧和水產(chǎn)養(yǎng)殖[4]。然而,由于CAP 的低成本和廣譜性,現(xiàn)在仍然被廣泛使用[5]。因此,建立一種快速、靈敏及簡(jiǎn)便的定量檢測(cè)CAP 的新方法具有十分重要的意義。目前,CAP 的定量分析方法主要有高效液相色譜法(HPLC)[6]、氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用法[7]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[8]、拉曼散射法[9]和基于抗體技術(shù)分析法[10]等。然而,在這些分析方法中,拉曼散射法和基于抗體技術(shù)分析法檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng),GC-MS 法及液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法需要昂貴的儀器和專業(yè)的操作人員,高效液相色譜法在復(fù)雜樣品中分離效果不理想,檢測(cè)特異性相對(duì)較差,不適合對(duì)CAP 進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的檢測(cè)。
核酸適配體(aptamer)是通過(guò)體外篩選技術(shù)得到的一段可與目標(biāo)物特異性結(jié)合的寡核酸片段[11~15]。隨著核酸適配體技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,很多物質(zhì)的適配體被篩選出來(lái)[16,17]。CAP 特異性適配體于2011年被Mehta 等人[18]篩選出來(lái),并成功地應(yīng)用于CAP的檢測(cè)中[19,20]。與已有的CAP 檢測(cè)方法相比,基于核酸適配體的CAP 檢測(cè)方法具有選擇性好、準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)單及檢測(cè)成本低等優(yōu)點(diǎn)。
SYBR Green Ⅰ(SG-Ⅰ)是一種可與雙鏈DNA無(wú)選擇性結(jié)合的核酸染料[21],毒性低、穩(wěn)定性好,在水溶液中背景信號(hào)較低,與單鏈DNA 幾乎不發(fā)生作用,而與雙鏈DNA 作用后產(chǎn)生強(qiáng)熒光信號(hào),常用于無(wú)標(biāo)記熒光分析檢測(cè)中[22]。
基于上述工作,本文利用熒光染料ROX 標(biāo)記的CAP 核酸適配體及核酸染料SG-Ⅰ構(gòu)建了一種比率型熒光探針,并利用該熒光探針實(shí)現(xiàn)了對(duì)CAP 高選擇性的定量檢測(cè)。與利用單一熒光信號(hào)建立的檢測(cè)方法相比,本方法具有兩個(gè)主要的優(yōu)勢(shì):第一,利用高靈敏的核酸染料SG-Ⅰ產(chǎn)生熒光信號(hào),可顯著提高方法的靈敏度,降低檢出限,適合低濃度CAP 的定量檢測(cè);第二,利用兩種熒光信號(hào)的比值實(shí)現(xiàn)CAP 的定量檢測(cè),可顯著減少環(huán)境因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾,從而提高檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確度。
所有的熒光數(shù)據(jù)和熒光光譜均由RF-5301PC型熒光光譜儀(Shimadzu 公司)測(cè)定和采集;緩沖溶液的pH 值由PHS-3C 型pH 計(jì)(INESA 公司)測(cè)定。核酸染料SG-Ⅰ(用二甲基亞砜DMSO 配制的10 000倍濃縮液)由上海瑞安生物技術(shù)有限公司提供;氧化石墨烯(GO)購(gòu)于中科院成都有機(jī)化學(xué)研究所。
實(shí)驗(yàn)中所用化學(xué)試劑均為分析純,購(gòu)自中國(guó)國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司;CAP 核酸適配體PLV 與有機(jī)猝滅基團(tuán)標(biāo)記且與CAP 核酸適配體部分互補(bǔ)的單鏈DNA(PC)均由上海生工生物技術(shù)有限公司合成并用高效液相色譜法純化,PLV 的3′端標(biāo)記熒光染 料6-carboxy-x-rhodamine(ROX),PC 的5′端 標(biāo)記猝滅基團(tuán)Black Hole Quencher 2(BHQ-2)。其核酸的堿基序列如下:
基于比率型熒光探針檢測(cè)CAP 的樣品配制中,用0.1 mol/L 的Tris-HCl(pH 7.7)緩沖溶液將CAP配制成不同濃度的溶液,并放置于4 °C 下冷藏備用;用0.1 mol/L 的Tris-HCl 緩沖溶液分別將PLV和PC配制成1×10-7mol/L 和1.2×10-7mol/L 的溶液備用;用Tris-HCl 緩沖溶液將核酸染料SG-Ⅰ稀釋10 000 倍得到SG-Ⅰ工作液,放置于4 °C 下儲(chǔ)存?zhèn)溆?。樣品制備時(shí),分別取50 μL 配制好的CAP和PLV溶液于離心管中,然后加入50 μL 的PC 溶液與50 μL 的SG-Ⅰ工作液,并補(bǔ)充緩沖溶液至總體積為500 μL,在溫度為37 °C 的水浴鍋中反應(yīng)30 min,冷卻到常溫后對(duì)其進(jìn)行同步熒光分析。在進(jìn)行同步熒光分析時(shí),初始激發(fā)波長(zhǎng)設(shè)置為454 nm,同步掃描的波長(zhǎng)間隔(Δλ)設(shè)置為26 nm,熒光檢測(cè)范圍為480~700 nm,激發(fā)光狹縫的寬度設(shè)置為10 nm,發(fā)射光狹縫的寬度設(shè)置為5 nm。SG-Ⅰ和ROX 的最大發(fā)射波長(zhǎng)分別為525 nm 和613 nm,在進(jìn)行定量分析時(shí)所使用的數(shù)據(jù)為SG-Ⅰ和ROX 的最大發(fā)射波長(zhǎng)處的熒光強(qiáng)度。
基于GO 猝滅的單色熒光樣品的配制中,用0.1 mol/L 的Tris-HCl 緩沖溶液(pH 7.7)將PLV 配制成1.4×10-7mol/L 濃度。樣品制備時(shí),分別取50 μL配制好的PLV 溶液和10μL濃度為0.5 mg/mL 的GO 溶液于離心管中,在室溫下孵育10 min,然后加入50 μL 的CAP 溶液,補(bǔ)充Tris-HCl 緩沖溶液至總體積為500 μL,在37 °C 的水浴鍋中反應(yīng)30 min 后,冷卻到常溫后對(duì)其進(jìn)行同步熒光分析。在進(jìn)行同步熒光分析時(shí),初始激發(fā)波長(zhǎng)設(shè)置為536 nm,同步掃描的Δλ設(shè)置為28 nm,熒光檢測(cè)范圍為564~670 nm,激發(fā)光狹縫的寬度設(shè)置為10 nm,發(fā)射光狹縫的寬度設(shè)置為5 nm。在進(jìn)行定量分析時(shí)所使用的數(shù)據(jù)為ROX 最大發(fā)射波長(zhǎng)處的熒光強(qiáng)度。
主要對(duì)CAP 純牛奶和滴眼液中CAP 的含量進(jìn)行測(cè)定。1)對(duì)于純牛奶中CAP 的檢測(cè)。取5 mL純牛奶置于10 mL 離心管中,加入5 mL 乙酸乙酯后進(jìn)行振蕩,然后離心10 min (4 000 r/min),取上清液,再加入5 mL 乙酸乙酯重復(fù)上述操作兩次。將收集的上清液用氮?dú)獯蹈?,然后?.01 mol/L 的Tris-HCl(含10%甲醇)定容至100 mL,再用本方法進(jìn)行檢測(cè)。2)對(duì)于CAP 滴眼液中CAP 的檢測(cè)。根據(jù)其說(shuō)明書中標(biāo)注的濃度,在本實(shí)驗(yàn)可檢測(cè)濃度范圍內(nèi),用Tris-HCl 緩沖溶液將樣品稀釋成3 組不同濃度的溶液,然后分別用本方法進(jìn)行檢測(cè),計(jì)算檢測(cè)結(jié)果的平均值并與說(shuō)明書中標(biāo)注的濃度進(jìn)行比較。
利用PLV、PC 及SG-Ⅰ檢測(cè)CAP 的基本原理如圖1 所示。其中,CAP 核酸適配體的3′端標(biāo)記了熒光染料ROX,與CAP 核酸適配體部分互補(bǔ)的單鏈DNA 的5′端修飾了猝滅基團(tuán)BHQ-2。當(dāng)體系中不存在CAP 時(shí),PLV 與PC 通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)形成雙鏈DNA,熒光染料ROX 與猝滅基團(tuán)BHQ-2 相互靠 近,ROX 的熒光被BHQ-2 猝滅,ROX的熒光信號(hào)很弱,但形成的雙鏈DNA 與核酸染料SG-Ⅰ結(jié)合,使SG-Ⅰ的熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng),此時(shí)IROX/ISG-Ⅰ較小。當(dāng)體系中存在CAP 時(shí),由于CAP 與PLV 的親和力更強(qiáng),CAP 優(yōu)先與PLV 結(jié)合形成穩(wěn)定性更好的復(fù)合物,此時(shí)PLV 不能與PC 反應(yīng)形成雙鏈DNA,熒光染料ROX 無(wú)法靠近猝滅基團(tuán)BHQ-2,熒光不能被BHQ-2 猝滅,ROX 熒光信號(hào)很強(qiáng)。另外,由于體系中沒(méi)有雙鏈DNA,SG-Ⅰ只能游離于溶液中,其熒光信號(hào)很弱,此時(shí)IROX/ISG-Ⅰ較大。體系中CAP 的濃度越大,與PLV 結(jié)合形成的復(fù)合物就越多,ROX 的熒光信號(hào)就越強(qiáng),SG-Ⅰ的熒光信號(hào)就越弱,IROX/ISG-Ⅰ就越大。根據(jù)體系中加入CAP 后IROX/ISG-Ⅰ的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)CAP 定量分析。
圖1 基于比率型熒光探針檢測(cè)CAP 的原理Fig.1 The principle of detection for CAP based on ratiometric fluorescent probe
利用PLV 和GO 對(duì)CAP 定量檢測(cè)的基本原理如圖2 所示。當(dāng)體系中存在目標(biāo)物CAP 時(shí),CAP 與PLV 結(jié)合形成穩(wěn)定的復(fù)合物,PLV 的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致ROX 遠(yuǎn)離GO,ROX 與GO 之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)消失,ROX 的熒光得到恢復(fù),體系熒光信號(hào)很強(qiáng);當(dāng)體系中不存在目標(biāo)物CAP 時(shí),PLV 中的單鏈DNA 與GO 通過(guò)強(qiáng)烈的π-π 堆疊作用使PLV 吸附在GO 的表面[23],標(biāo)記在PLV 上的熒光染料ROX 靠近GO,其熒光通過(guò)熒光共振能量轉(zhuǎn)移的方式被GO 猝滅,體系熒光信號(hào)很弱。據(jù)此,通過(guò)體系熒光強(qiáng)度恢復(fù)的程度即可實(shí)現(xiàn)CAP 的定量分析。
圖2 基于核酸適配體與GO 檢測(cè)CAP 的原理Fig.2 The principle of detection for CAP with aptamer and GO
圖3 為基于比率型熒光探針檢測(cè)CAP 分析法中,PLV 與不同濃度的CAP 反應(yīng)后,體系中核酸染料SG-Ⅰ和熒光染料ROX 的同步熒光光譜圖。結(jié)果表明,當(dāng)體系中不存在CAP 時(shí),熒光染料ROX 的熒光信號(hào)很弱而核酸染料SG-Ⅰ的熒光信號(hào)很強(qiáng);當(dāng)體系中存在CAP 時(shí),熒光染料ROX 的熒光信號(hào)顯著增強(qiáng)而SG-Ⅰ的熒光信號(hào)明顯減弱。體系中CAP 的濃度越大,熒光染料ROX 熒光信號(hào)就越強(qiáng),SG-Ⅰ的熒光信號(hào)就越弱,這說(shuō)明利用該方法對(duì)CAP 進(jìn)行定量檢測(cè)是可行的。
圖3 不同濃度的CAP 所對(duì)應(yīng)體系的同步熒光光譜Fig.3 The synchronous fluorescence spectra of system at different concentrations of CAP
核酸染料SG-Ⅰ工作液的加入量對(duì)檢測(cè)結(jié)果具有很大影響。根據(jù)檢測(cè)CAP 的原理,SG-Ⅰ工作液應(yīng)該保持相對(duì)過(guò)量,但過(guò)量太大又會(huì)產(chǎn)生一定的背景熒光,因此本實(shí)驗(yàn)對(duì)SG-Ⅰ工作液的體積進(jìn)行了優(yōu)化。如圖4 所示,當(dāng)SG-Ⅰ工作液的體積小于50 μL 時(shí),SG-Ⅰ的熒光強(qiáng)度隨體積的增加而增強(qiáng);當(dāng)SG-Ⅰ工作液的體積達(dá)到50 μL 后,再增加SG-Ⅰ工作液的體積,其熒光強(qiáng)度幾乎不再變化。這說(shuō)明在PLV 的濃度為1×10-8mol/L,PC 的濃度為1.2×10-8mol/L 時(shí),SG-Ⅰ工作液的體積達(dá)到50 μL 時(shí)即可滿足本實(shí)驗(yàn)的需求。本實(shí)驗(yàn)所有樣品中SG-Ⅰ工作液的體積均選擇為50 μL。
圖4 SG-Ⅰ工作液體積的影響Fig.4 Effect of working solution volume of SG-Ⅰ
PLV 與CAP 的反應(yīng)時(shí)間直接影響著PLV 與CAP 配位反應(yīng)的程度,因此本實(shí)驗(yàn)考察了PLV 與CAP 配位反應(yīng)的時(shí)間。如圖5 所示,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在10~30 min 之間時(shí),IROX/ISG-Ⅰ隨著反應(yīng)時(shí)間的增加逐漸增大;當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過(guò)30 min 后,IROX/ISG-Ⅰ基本保持不變。這表明在30 min 之內(nèi),PLV 與CAP 配位反應(yīng)已基本完成。因此本實(shí)驗(yàn)所有樣品中PLV與CAP 的反應(yīng)時(shí)間均選擇為30 min。
圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)IROX/ISG-Ⅰ的影響Fig.5 Effect of reaction time on IROX/ISG-Ⅰ
緩沖體系的pH 值會(huì)直接影響熒光染料ROX和核酸染料SG-Ⅰ的熒光強(qiáng)度,同時(shí)也會(huì)影響PLV與CAP 的配位反應(yīng),因此本實(shí)驗(yàn)考察了緩沖溶液的pH 值。如圖6 所示,當(dāng)緩沖體系的pH 值在6.8~7.7 之間時(shí),IROX/ISG-Ⅰ隨 著pH 值的增加逐漸增大;當(dāng)pH 值大于7.7 時(shí),IROX/ISG-Ⅰ隨著pH 值的增加逐漸減弱。因此,本實(shí)驗(yàn)中緩沖溶液的pH 值為7.7 時(shí)效果最好。
圖6 pH 值對(duì)IROX/ISG-Ⅰ的影響Fig.6 Effect of pH value on IROX/ISG-Ⅰ
反應(yīng)體系中溶液的離子強(qiáng)度會(huì)影響PLV 與CAP 形成配合物的穩(wěn)定性,因此本實(shí)驗(yàn)通過(guò)加入不同濃度的NaNO3溶液,考察了溶液離子強(qiáng)度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。如圖7 所示,當(dāng)NaNO3濃度低于60mmol/L 時(shí),IROX/ISG-Ⅰ隨著NaNO3濃度的增大而 增大;當(dāng)NaNO3濃度大于60 mmol/L 時(shí),IROX/ISG-Ⅰ趨于穩(wěn)定。因此,本實(shí)驗(yàn)選擇NaNO3溶液的濃度為60 mmol/L。
圖7 NaNO3濃度對(duì)IROX/ISG-Ⅰ的影響Fig.7 Effect of NaNO3 concentration on IROX/ISG-Ⅰ
在優(yōu)化條件下,考察了IROX/ISG-Ⅰ與CAP 濃度之間的關(guān)系。圖8(a)為不同濃度CAP 所對(duì)應(yīng)體系中ROX 及SG-Ⅰ的同步熒光光譜圖,圖8(b)為ROX與SG-Ⅰ在最大發(fā)射波長(zhǎng)處熒光強(qiáng)度的比值(IROX/ISG-Ⅰ)與CAP 濃度c(mol/L)之間擬合的回歸曲線圖。結(jié)果表明,在CAP 濃 度 為2×10-10~100×10-10mol/L 范圍內(nèi),IROX/ISG-Ⅰ隨CAP 濃度的增大而增大,擬合的回歸方程為IROX/ISG-Ⅰ=0.072e0.055c(相關(guān)系數(shù)R=0.993)。將空白樣品平行測(cè)定11 次,分別計(jì)算ROX 和SG-Ⅰ熒光強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差,再將它們標(biāo)準(zhǔn)偏差比值的3 倍代入上述回歸方程,計(jì)算得到方法的檢出限為8×10-11mol/L。對(duì)9 個(gè)濃度均為1×10-9mol/L 的平行樣品進(jìn)行測(cè)定,其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.05%,說(shuō)明該方法具有良好的精密度。
圖8 (a)不同濃度CAP 所對(duì)應(yīng)體系中ROX 與SG-Ⅰ的同步熒光光譜圖;(b)IROX/ISG-Ⅰ與CAP 濃度之間擬合的回歸曲線Fig.8 (a)The synchronous fluorescence spectra of ROX and SG-Ⅰin the system with different concentrations of CAP;(b)the fitting regression curve between IROX/ISG-Ⅰand the concentration of CAP
利用PLV 和GO 建立單色熒光定量檢測(cè)CAP的方法,并與比率型熒光探針進(jìn)行比較。首先對(duì)單色熒光定量檢測(cè)CAP 方法的條件進(jìn)行優(yōu)化,得到了最佳檢測(cè)條件為:GO 的濃度為10 μg/mL,PLV 與CAP 的反應(yīng)時(shí)間為30 min,緩沖溶液的pH 值為7.7,緩沖溶液中NaNO3的濃度為60 mmol/L。然后,在優(yōu)化的條件下,考察了ROX 熒光強(qiáng)度的變化值ΔI(ΔI=I-I0,I為CAP 存在時(shí)ROX 的熒光強(qiáng)度,I0為CAP 不存在時(shí)ROX 的熒光強(qiáng)度)與CAP 濃度之間的關(guān)系。圖9(a)為不同濃度CAP 所對(duì)應(yīng)體系中ROX 的同步熒光光譜圖,圖9(b)為ROX 最大發(fā)射波長(zhǎng)處的熒光強(qiáng)度與CAP 濃度之間的線性關(guān)系。結(jié)果表明,CAP濃度在2.8×10-10~140×10-10mol/L 范圍內(nèi),ROX 熒光強(qiáng)度的變化值與CAP 濃度之間具有良好的線性關(guān)系,擬合工作曲線的回歸方程為ΔI=6.776c+0.574 (R2=0.998)。將空白樣品平行測(cè)定11 次,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差,用3 倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以工作曲線的斜率得方法檢出限為1.6×10-10mol/L;對(duì)9 個(gè)濃度均為1×10-9mol/L的平行樣品進(jìn)行測(cè)定,其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為5.52%,說(shuō)明該方法也具有較好的精密度,但與比率熒光分析法較差。
圖9 (a)不同濃度CAP 所對(duì)應(yīng)體系中ROX 的同步熒光光譜;(b)ROX 的熒光強(qiáng)度與CAP 濃度之間的線性關(guān)系Fig.9 (a)The synchronous fluorescence spectra of ROX in the system with different concentrations of CAP;(b)the linear relationship between the fluorescence intensity of ROX and the concentration of CAP
進(jìn)一步地比較兩種方法的準(zhǔn)確性。分別用兩種方法對(duì)加入牛奶樣品中CAP 標(biāo)準(zhǔn)品的含量進(jìn)行檢測(cè)。取4 份相同的純牛奶樣品,按1.3 節(jié)中的步驟對(duì)純牛奶處理后,按表1 所示加入不同濃度的CAP 標(biāo)準(zhǔn)品溶液,然后分別用單色熒光分析法(A1~A4)及比率熒光分析法(B1~B4)進(jìn)行檢測(cè),計(jì)算回收率。結(jié)果(表1)表明,比率熒光分析法的RSD 更小,回收率更接近100%,這說(shuō)明在復(fù)雜的檢測(cè)環(huán)境中,比率熒光分析法對(duì)CAP 的檢測(cè)重復(fù)性更好,準(zhǔn)確度更高。
表1 采用兩種檢測(cè)方法測(cè)定牛奶中CAP 的含量(n=3)Table 1 Determination of CAP in milk using two assay methods (n=3)
為了考察方法的特異性,本實(shí)驗(yàn)選擇與CAP 性質(zhì)相近的幾種抗生素:卡那霉素(kanamycin)、甲砜霉素(thiamphenicol)、土 霉 素(oxytetracycline)、四 環(huán) 素(tetracycline)、鏈霉素(streptomycin),進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別配制1×10-6mol/L 的各種抗生素溶液,在最優(yōu)條件下使用比率熒光分析CAP 的方法進(jìn)行檢測(cè)。如圖10 所示,在其他抗生素濃度遠(yuǎn)高于CAP 濃度(1×10-8mol/L)的情況下,體系中ROX 的熒光信號(hào)很弱,而SG-Ⅰ的熒光信號(hào)很強(qiáng),說(shuō)明該檢測(cè)方法具有很高的特異性。
圖10 方法的特異性分析Fig.10 The specificity analysis of the method
為了驗(yàn)證方法的實(shí)用性,本實(shí)驗(yàn)對(duì)CAP 滴眼液中的CAP 含量進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明,滴眼液中CAP 的含量為2.486 mg/mL,與說(shuō)明書中標(biāo)注的CAP 含量2.500 mg/mL 基本一致,說(shuō)明該方法對(duì)實(shí)際樣品的檢測(cè)具有較高的準(zhǔn)確度。
本實(shí)驗(yàn)基于PLV、PC 及核酸染料SG-Ⅰ構(gòu)建了一種比率型熒光探針,并利用該探針建立了一種CAP 的定量檢測(cè)新方法。與單色熒光定量檢測(cè)CAP 的方法相比,該方法重復(fù)性更好、檢出限更低、準(zhǔn)確度更高。同時(shí),該方法操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)時(shí)間短,能用于實(shí)際樣品中CAP 的分析與檢測(cè)。