图 1
AuNPs (a), HRP-Au-Ab探针 (b), HRP (c) 和Ab (d) 的紫外可见谱图
Figure 1.
UV-vis absorption spectra of AuNPs (a), HRP-Au-Ab probe (b), HRP (c) and Ab (d)
Citation: Zhang Zhaoxiang, Luan Wenxiu, Zhang Chaoying, Liu Yujie. Capillary Electrophoresis Immunoassay by Gold Nanoparticles Assisted Signal Generation and Sequential Stacking[J]. Acta Chimica Sinica, 2017, 75(4): 403-407. doi: 10.6023/A16110599
基于纳米金辅助信号生成顺序堆积的毛细管电泳免疫分析研究
English
Capillary Electrophoresis Immunoassay by Gold Nanoparticles Assisted Signal Generation and Sequential Stacking
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1 引言
短裸甲藻毒素 (BTX) 是一类具有独特结构及药理活性的海生毒素, 在动物体内浓度低至nmol/L或pmol/L范围便呈现活性, 人类食用含BTX的贝类严重损害身体健康, 而且, 食物中这类毒素无法被烹饪去除.因此, 研究一种快速、灵敏的检测BTX的方法具有重要意义.然而, 该毒素由于没有光学和电化学信号, 检测非常困难.传统的检测方法主要有小鼠生物分析法[1], 高效液相色谱法[2~5]和免疫分析法[6, 7].
毛细管电泳 (capillary electrophoresis, CE) 免疫分析 (immunoassay, IA) 结合了CE的高分离能力和IA的高亲和特异性, 同时具有样品消耗少、分析速度快等优点而广泛用于蛋白质[8, 9]、DNA[10]、赤潮毒素[11~13]和致病菌[14]等的检测.随着纳米科技的迅速发展, 纳米粒子的自身特性逐渐凸显, 由于其易于合成、比表面积大、生物兼容性好等特点而广泛用于环境[15, 16]、疾病[17]、病毒[18]及DNA[19~21]等分析检测中.王青等[22]报道了一种基于纳米金颗粒增强信号的表面等离子体共振生物传感器用于甲氧檗因高灵敏检测的研究, 检测下限低至0.07 pmol/L.郭颖等[23]制备了石墨烯量子点功能化的金纳米粒子作为过氧化物模拟酶用于葡萄糖检测, 检出限达3.0×l0-7 mol•L-1. Ambrosi等[24]在免疫分析中用金纳米粒子 (AuNPs) 作为多酶载体检测生物标志物, 每个AuNPs可以吸附多个酶分子从而提高检测信号. Tseng课题组用AuNPs从复杂基体中萃取氨基硫醇[25]和三聚氰胺[26]进行CE分离检测, 证明AuNPs对多种分子具有很高的吸附容量. Miao等[27]报道了AuNPs和酶断裂介导联用信号放大分析Ag+, 检出限达470 fmol/L. Zhang等[28]研究了基于AuNPs的CE分离电化学IA检测贝类毒素, AuNPs不仅能改变分析物的淌度增大分离度, 同时使检测信号放大70倍.综上所述, AuNPs具有很高的吸附容量, 可以对分析物进行富集检测.
BTX毒素的基本结构是由10到11个环状结构构成的大环多醚类物质, 本文选择一种BTX-B (其结构见支持信息图S1) 作为模型化合物, 研究了一种检测BTX毒素的新方法.利用AuNPs做载体, 将HRP和毒素抗体 (Ab) 同时固定到AuNPs表面, BTX-B抗原 (Ag) 和固定了HRP和Ab的AuNPs探针进行非竞争免疫反应, 免疫反应样品电动进样引入分离毛细管中, 在毛细管入口端进行顺序堆积在线富集.通过增大纳米金表面HRP/Ab的物质的量比以及顺序堆积富集双重放大技术, 使检测信号得到极大提高.用该方法测定了扇贝样品中的BTX-B, 证明该方法在实际样品检测中具有广阔的应用前景.
2 结果与讨论
2.1 HRP-AuNPs-Ab探针
BTX-B本身没有EC信号, 检测非常困难, 利用AuNPs作载体, 将HRP和Ab同时固定到AuNPs表面, 免疫反应样品进入反应毛细管后, 固定在AuNPs表面的HRP催化H2O2氧化OAP产生EC信号进行检测[11~14], 检测电流的大小与HRP的量成正比, 从而对样品进行定量分析 (EC检测原理及检测条件的优化见支持信息S1电化学检测部分). 图 1为AuNPs、HRP-Au-Ab探针、HRP和Ab的紫外可见谱图, 从图中可以看出, HRP-Au-Ab探针的紫外吸收曲线中, 在280 nm和400 nm出现了吸收峰, 分别是Ab和HRP的吸收峰, 同裸AuNPs的谱峰相比, 形成HRP-Au-Ab探针后由于AuNPs表面被HRP和Ab覆盖导致AuNPs在520 nm处的吸收降低, 这说明HRP和Ab成功固定到AuNPs表面. 图 2为AuNPs、HRP-Au-Ab探针、HRP和Ab的CE-UV检测谱图, 从谱线a~d可以看出, 当没有加入HRP和Ab时, 单纯AuNPs的CE峰重现性不好 (谱线a), 随着HRP和Ab的加入, 不重现的AuNPs峰减小, 复合物HRP-Au-Ab的峰开始出现 (谱线b), 当HRP和Ab过量时, AuNPs表面达到饱和, 出现过量的HRP和Ab峰, 同时HRP-Au-Ab的峰重现性较好, 峰位置在AuNPs峰之前、HRP和Ab峰之后 (谱线c~d).说明在AuNPs表面固定上HRP和Ab可以提高AuNPs的稳定性, 通过峰形和峰位置进一步确定HRP和Ab已固定到AuNPs表面.
图 1
AuNPs (a), HRP-Au-Ab探针 (b), HRP (c) 和Ab (d) 的紫外可见谱图
Figure 1.
UV-vis absorption spectra of AuNPs (a), HRP-Au-Ab probe (b), HRP (c) and Ab (d)
AuNPs表面积大, 每个AuNP能够结合多个生物分子, 而EC检测时, 检测电流的大小与固定在AuNPs表面的HRP的量成正比, 因此增大AuNPs表面HRP/Ab的物质的量比可以提高EC检测的灵敏度.测定了AuNPs表面HRP/Ab的物质的量比, 首先测定AuNPs吸附的HRP和Ab的总量[29]: HRP、Ab和AuNPs混合孵育生成HRP-AuNPs-Ab探针后, 离心, HRP-AuNPs-Ab沉淀, 用紫外可见吸收法测出上清液中剩余HRP和Ab的量, 孵育前溶液中HRP和Ab的量与孵育后上清液中HRP和Ab的量之差即为吸附到AuNPs上的HRP和Ab, 实验测得HRP-AuNPs-Ab探针上吸附的HRP和Ab的量为14.38 µg.测定HRP-AuNPs-Ab探针上吸附的HRP的量:用一系列不同浓度的HRP溶液分别催化OAP和H2O2反应进行检测, 绘制标准曲线; 将上述离心分离的HRP-AuNPs-Ab探针分散到溶液中, 在相同条件下催化OAP和H2O2的反应, 利用标准曲线法计算出HRP的量; 吸附在HRP-AuNPs-Ab探针上的HRP为9.97 µg.因此, 吸附在HRP-AuNPs-Ab探针上的Ab为4.41 µg.吸附在HRP-AuNPs-Ab探针上的HRP/Ab的物质的量比为9/1, HRP的量是Ab的9倍, 可以极大提高EC检测灵敏度.
按照上述测定方法, 改变HRP/Ab的物质的量比 (1:1~12:1), 研究了不同物质的量配比对检测灵敏度和重现性 (相对标准偏差, RSD) 的影响.如图S6(支持信息) 所示, 随着HRP/Ab物质的量比的增大, 免疫复合物的峰电流增大, 但当物质的量比大于9:1时, 重现性变差, 所以选择HRP/Ab的物质的量比为9:1.
2.2 免疫复合物HRP-AuNPs-Ab-Ag
HRP-AuNPs-Ab探针与抗原反应形成免疫复合物, 孵育反应时间明显影响免疫复合物的形成 (图S7, 支持信息), 随着孵育反应时间的延长, 免疫复合物的峰面积增大, 当孵育时间为40 min时, 峰面积达最大值, 继续增大孵育时间, 复合物的峰面积基本不变, 因此选择孵育反应时间为40 min.
2.3 CE分离条件
HRP的最佳催化活性在pH 4左右[30], 因此CE分离缓冲液应在酸性范围内, 同时, HRP是小分子蛋白质, 等电点为6.5, 当pH低于6.5时, HRP带正电荷, 易吸附在毛细管内壁, 因此在缓冲溶液中加入PVP进行动态涂层.采用正交试验设计对影响样品分离的主要因素BR缓冲液浓度、pH值和PVP浓度对分离条件进行优化, 如表 1所示.根据免疫复合物的峰形、分离效率和灵敏度, 选择最佳分离缓冲液为10.0 mmol/L BR和1.0% (w/V) PVP, pH 4.0.
No. BR concentration/ (mmol•L-1) pH PVP concentration/% 1 5.0 3.0 0.6 2 10.0 3.0 0.8 3 15.0 3.0 1.0 4 5.0 4.0 0.8 5 10.0 4.0 1.0 6 15.0 4.0 0.6 7 5.0 5.0 1.0 8 10.0 5.0 0.6 9 15.0 5.0 0.8 表 1 正交试验设计CE分离缓冲溶液
Table 1. Orthogonal experimental design the factors of CE separation buffer2.4 顺序富集
引入一段NaOH区带是该顺序富集法的关键.高差10 cm, 分别引入0.1 mol/L的NaOH区带90 s、120 s、150 s、180 s, 改变进样时间发现, 随着进样时间增大, 需用碱量增多, 如图 3所示, 当进碱时间90 s时, 进样160 s即获得最佳峰高和分离效率, 而进碱时间150 s时, 进样时间可达330 s, 当进碱时间为180 s时, 由于碱区带过长, 分离效率降低, 所以选择最佳进碱和进样时间分别为150 s和330 s.
2.5 基于纳米金辅助信号生成顺序堆积在线富集的CE免疫分析EC检测BTX-B
在最佳条件下检测了加入不同浓度BTX-B抗原的免疫反应样品, 电泳谱图如图 4所示.当没有加入毒素抗原时, 体系中只有HRP-AuNPs-Ab探针和未结合的HRP (图 4a); 加入抗原后, 抗原与AuNPs探针进行非竞争免疫反应, 免疫复合物的峰出现 (图 4b); 随着抗原浓度的增大, 免疫复合物的峰高增大 (图 4b~4d).测定了BTX-B的浓度0.1~150 ng/mL范围内, 免疫复合物的峰面积与BTX-B浓度的关系 (图S8A, 支持信息), 结果表明, 在0.1~120 ng/mL范围内 (图S8B, 支持信息), 免疫复合物的峰面积与BTX-B的浓度成良好的线性关系, 回归方程为y=69.32x+8.76(y为免疫复合物的峰面积, μC; x为BTX-B的浓度, ng/mL), 线性相关系数为0.9982, 检出限 (S/N=3) 为26 ng/L.
2.6 扇贝样品的检测
为验证方法的实用性和可靠性, 分别用本方法和酶联免疫吸附分析 (ELISA) 法测定了8组扇贝样品, 如表 2所示, 两种检测方法的结果一致, 说明本研究方法准确可靠.两种分析方法相比, ELISA法的检出限为9.5 ng/mL, 本方法的检出限 (26 ng/L) 比常规ELISA法降低了365倍.另外, 本法免疫反应在溶液中进行, 反应速度快, 缩短了分析时间.
No. of samples Content of brevetoxin B in shellfish samples/(µg•kg-1) The proposed methoda ELISAb The previous methodc Content RSD/% Content RSD/% Content RSD/% 1 133.2 5.7 136.5 4.4 131.6 3.8 2 512.6 3.5 507.8 5.9 516.7 4.4 3 267.5 3.9 271.2 3.6 269.9 5.2 4 615.2 2.2 612.6 4.8 618.7 2.6 5 781.9 1.6 776.3 3.2 779.6 4.9 6 325.5 2.8 319.1 5.1 328.3 3.3 7 96.2 4.5 101.7 6.3 99.7 3.7 8 18.7 5.3 <LOD — 21.6 5.6 aThe detection was performed under the optimal conditions of the proposed method. bThe detection was performed using the commercial ELISA Check-kit following the manufacturer’s procedure. cThe detection was performed according to the procedure in reference [13]. 表 2 扇贝样品中短裸甲藻毒素B的检测结果
Table 2. Analytical results of brevetoxin B in shellfish samples (n=3)本方法是在前期工作[13]的基础上进行的, 跟前期工作相比, 本方法不再使用价格昂贵的BTX酶标抗原, 实验费用低.另外, 本方法采用AuNPs作载体, 通过增大吸附在AuNPs表面HRP/Ab的物质的量比来提高灵敏度, 检出限比前期工作[13]低4倍.用文献[13]的方法测定了8种扇贝样品, 结果如表 2所示, 测定结果与本方法结果一致, 证明样品中BTX-B毒素的含量较低 (低于ELISA检出限) 时, 本方法的测定结果依然具有实用性和可靠性.
为进一步评价方法的准确性, 进行了回收率实验, 在扇贝样品中按低、中、高三个浓度水平 (0.1, 5.0和50.0 ng/mL) 添加标准溶液进行回收实验和精密度实验, 回收率在93%~105%之间, 相对标准偏差为1.2%~5.7%, 方法准确可靠, 可用于扇贝样品中BTX-B的测定.
3 结论
本工作利用纳米金作为载体, 将HRP和Ab同时固定到纳米金表面, 使本没有EC信号的BTX-B通过EC免疫分析得到定量检测; 通过增大HRP和Ab的物质的量比, 使电化学信号得到极大增强, 结合顺序堆积在线富集技术, 使检出限比常规ELISA法降低了365倍.该方法选择性高, 实验耗费低, 在实际样品中BTX-B的检测有良好的应用前景.
4 实验部分
4.1 固定HRP和Ab的AuNPs探针及免疫复合物的制备
首先合成平均粒径为13 nm、浓度为5.6 nmol/L的AuNPs溶液[14, 28], 然后以AuNPs为载体, 将大量的HRP分子和毒素Ab固定到AuNPs表面制备HRP-AuNPs-Ab探针, 具体操作如下:取1.0 mL AuNPs溶液加入0.04%的柠檬酸三钠、0.02%的叠氮化钠和0.26 mmol/L碳酸钾, 边搅拌边加入3.5 μL浓度为5.0 mg/mL的HRP和1.5 μL浓度为5.0 mg/mL的毒素Ab (此时HRP/Ab分子数之比约为9/1), 混合均匀后室温孵育2 h以生成HRP-AuNPs-Ab (如图 5a).
HRP+AuNPs+Ab→HRP-AuNPs-Ab
加入100 μL 1%的牛血清白蛋白 (BSA) 终止液, 室温下搅拌30 min, 然后在4 ℃下15000 r/min离心20 min, HRP-AuNPs-Ab结合物用含1% BSA和0.05%吐温20的BR缓冲液洗涤, 最后用100 μL 1%的BSA再悬浮, 4 ℃下保存备用.
制备免疫复合物HRP-AuNPs-Ab-Ag:在200 μL的微孵育管中加入10 μL毒素抗原 (Ag) 标准液或扇贝样品提取液, 再加入10 μL上述制备的HRP-AuNPs-Ab探针溶液, 用10 mmol/L的BR缓冲液稀释至50 μL, 混合均匀后室温孵育40 min, 毒素抗原与AuNPs探针结合的抗体进行非竞争免疫反应生成免疫复合物HRP-AuNPs-Ab-Ag (如图 5b), 免疫样品溶液中还有过量的AuNPs探针:
Ag+HRP-AuNPs-Ab (过量)→HRP-AuNPs-Ab-Ag+HRP-AuNPs-Ab (剩余)
4.2 基于顺序堆积在线富集的CE免疫分析EC检测BTX-B免疫反应样品
基于顺序堆积在线富集的CE免疫分析EC检测BTX-B免疫样品的原理如图 6所示.毛细管内首先充满运行缓冲液, 10 cm高差引入NaOH区带150 s (图 6a). 10 kV电动进样, 免疫样品中的正离子快速向毛细管负极端迁移, 同时NaOH区带中的OH-向毛细管正极端迁移, 在毛细管入口端, 样品离子与迎面而来的OH-发生中和反应失去正电荷, 堆积在毛细管入口端, 样品离子进行碱堆积预富集 (图 6b).进样结束后, 毛细管入口端换上缓冲溶液, 缓冲液中的H+快速向阴极迁移, 扫过样品带时使待测样品重新带上正电荷, 由于毛细管入口端的样品首先带上正电荷, 迁移速率加快, 使样品区带得到进一步压缩, 堆积在样品与缓冲液的界面上 (图 6c).由于碱-酸顺序堆积压缩样品区带, 可使进样时间长达330 s仍保持较高的分离效率.然后, 免疫复合物HRP-AuNPs-Ab-Ag、AuNPs探针和过量的HRP在分离毛细管中分成不同的区带 (图 6d), 顺次进入反应毛细管催化H2O2氧化OAP进行EC检测.
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图 4 免疫反应样品的电泳谱图
Figure 4 Electropherograms of immune samples
The concentrations of HRP-Au-Ab probe were constant. Electropherograms of a, b, c and d correspond to 0, 2.0, 5.0, and 10.0 ng/mL BTX-B, respectively. The running buffer was 10.0 mmol/L BR+1.0 mmol/L H2O2+1.0% PVP, pH 4.0; OAP concentration: 1.0 mmol/L; Sample injection, 10 kV for 330 s; Separation voltage, 15 kV; EC detection potential, -0.35 V
表 1 正交试验设计CE分离缓冲溶液
Table 1. Orthogonal experimental design the factors of CE separation buffer
No. BR concentration/ (mmol•L-1) pH PVP concentration/% 1 5.0 3.0 0.6 2 10.0 3.0 0.8 3 15.0 3.0 1.0 4 5.0 4.0 0.8 5 10.0 4.0 1.0 6 15.0 4.0 0.6 7 5.0 5.0 1.0 8 10.0 5.0 0.6 9 15.0 5.0 0.8 表 2 扇贝样品中短裸甲藻毒素B的检测结果
Table 2. Analytical results of brevetoxin B in shellfish samples (n=3)
No. of samples Content of brevetoxin B in shellfish samples/(µg•kg-1) The proposed methoda ELISAb The previous methodc Content RSD/% Content RSD/% Content RSD/% 1 133.2 5.7 136.5 4.4 131.6 3.8 2 512.6 3.5 507.8 5.9 516.7 4.4 3 267.5 3.9 271.2 3.6 269.9 5.2 4 615.2 2.2 612.6 4.8 618.7 2.6 5 781.9 1.6 776.3 3.2 779.6 4.9 6 325.5 2.8 319.1 5.1 328.3 3.3 7 96.2 4.5 101.7 6.3 99.7 3.7 8 18.7 5.3 <LOD — 21.6 5.6 aThe detection was performed under the optimal conditions of the proposed method. bThe detection was performed using the commercial ELISA Check-kit following the manufacturer’s procedure. cThe detection was performed according to the procedure in reference [13]. -
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