一种可循环使用的用于检测微囊藻毒素的荧光传感器及其应
用方法
技术领域
[0001] 本
发明属于分析化学领域，具体涉及一种可循环使用的利用核酸适配体结构转换策略调控
石墨烯
量子点的聚集状态，从而调控荧光
信号的淬灭和恢复来检测微囊藻毒素的方法。
背景技术
[0002] 由
水体富营养化引起的蓝藻水华污染是当前国内外普遍关注的水环境问题之一。蓝藻水华是水体富营养化的一种表现形式，它是指当水体处于富营养化状态时，蓝藻在适宜的光照、
温度、
气候、水文等条件下快速、大量的繁殖或聚集的现象。
[0003] 微囊藻毒素(Microcystins,MCs)是蓝藻水华过程中产生的一种毒性较强的蓝藻毒素，其形成诱因是水体中过量的氮、磷含量。MCs由7种
氨基酸组成，种类繁多，分子量为1000Da左右。在众多的MCs异构体中，微囊藻毒素-LR(Microcystin-LR，MC-LR)在蓝藻水华时出现的
频率最高、产生量最大、危害最严重。MC-LR可通过饮水、直接
接触、血
透析、食物链累积、误食携带MC-LR的食品等多种途径被摄入
生物体内。毒理学研究表明，MC-LR在生物体内主要以肝脏为靶点，造成肝脏功能
缺陷。不仅如此，MC-LR还能够结合体内的谷胱甘肽并形成MC-LR-GSH复合物，降低细胞内GSH浓度，干扰细胞正常的代谢通路，引起细胞凋亡。世界卫生组织(WHO)与我国均规定
饮用水中MC-LR的浓度不得高于1.0μg/L。因此，建立一种
自来水和湖水中MC-LR的检测方法有着重要的意义。
[0004] 适配体作为一种可以和目标物进行高特异性结合的单链寡核普酸，和
抗体相比，适配体更易于合成和标记，
稳定性和选择性更好，结合亲和
力更高，因此适配体的应用越来越广泛。
[0005] 常用的检测微囊藻毒素的方法包括高效液相色谱法、酶联
免疫吸附法、抗体
抗原、电化学方法等。以上检测方法需要一定的操作过程如复杂的检测样品前处理，同时需较长时间检测分析微囊藻毒素样品，而且存在所用检测的实验仪器设备比较复杂昂贵等问题。而基于核酸适配体构建荧光传感器的方法，受限于传统
荧光染料基团的光稳定性差等问题。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种可循环使用的检测微囊藻毒素尤其微囊藻毒素-LR的荧光传感器及其制备方法，基于
石墨烯量子点在聚集和解聚状态下荧
光信号的淬灭和恢复以及核酸适配体结构转换策略来快速、简便的检测微囊藻毒素如微囊藻毒素-LR。该方法对微囊藻毒素如微囊藻毒素-LR的检测灵敏度高、特异性好。在一定的浓度范围内(如对微囊藻毒素-LR在0-2ng/mL的浓度范围内，)检测呈现良好的线性响应，以及较低的
检测限，例如微囊藻毒素-LR检测限为28.33pg/mL，并且可以循环使用。
[0007] 一种可循环使用的微囊藻毒素荧光适配体传感器:在一组石墨烯量子点表面修饰上与微囊藻毒素核酸适配体DNA互补的一种探针DNA1(如微囊藻毒素为微囊藻毒素-LR时，一种探针DNA1可选择P1DNA)，在另一组石墨烯量子点表面修饰上与微囊藻毒素核酸适配体DNA互补的另一种探针DNA2(如微囊藻毒素为微囊藻毒素-LR时，另一种探针DNA2可选择P2DNA)，然后将两种石墨烯量子点溶液混合均匀后再加入微囊藻毒素核酸适配体DNA，通过DNA杂交使石墨烯量子点聚集，发生
激子能量转移，导致石墨烯量子点荧光信号淬灭；随后加入微囊藻毒素，微囊藻毒素与核酸适配体DNA特异性结合，结构发生转变，引起石墨烯量子点聚集体解组装而重新分散，体系荧光强度恢复。
[0008] 优选两组石墨烯量子点等量，探针DNA1和探针DNA2等摩尔量。
[0009] 进一步上述加入微囊藻毒素荧光强度恢复后，再加入微囊藻毒素核酸适配体DNA，使得石墨烯量子点荧光信号淬灭，然后再加入微囊藻毒素荧光强度恢复，如此可循环使用。
[0010] 上述的微囊藻毒素包括但不限于微囊藻毒素-LR、微囊藻毒素-YR、微囊藻毒素-LA和微囊藻毒素-RR等，只要符合上述条件的均能作为微囊藻毒素的荧光适配体传感器。不同的微囊藻毒素采用各自对应的核酸适配体DNA以及与核酸适配体DNA互补的两种不同的探针DNA1和DNA2。
[0011] 本发明的技术方案是:一种可循环使用的检测微囊藻毒素的荧光适配体传感器的应用方法，包括以下步骤：
[0012] (1)DNA杂交使石墨烯量子点聚集，荧光信号猝灭：首先利用TE缓冲液分别离心溶解粉末状微囊藻毒素对应的适配体DNA以及与适配体DNA互补的两种不同的探针DNA1和DNA2(如微囊藻毒素为微囊藻毒素-LR时可选择P1DNA和P2DNA)；然后通过水热法合成出石墨烯量子点，并在两组石墨烯量子点表面分别修饰与微囊藻毒素核酸适配体DNA互补的两种不同探针DNA1和DNA2，然后将表面分别修饰有探针DNA1和DNA2的两种石墨烯量子点溶液混合，再加入微囊藻毒素核酸适配体DNA，通过DNA杂交引起石墨烯量子点发生聚集，荧光信号猝灭；
[0013] (2)微囊藻毒素的荧光检测：把不同标准浓度的微囊藻毒素加入到步骤(1)荧光信号淬灭的溶液中，在室温条件下孵育一段时间，设定荧光分光光度计激发发射
波长及入射发射狭缝，取孵育好的反应溶液加入
石英比色皿中检测，得出不同浓度的微囊藻毒素对应的荧光强度，制备出曲线；
[0014] (3)荧光检测微囊藻毒素的方法，步骤如下：把含微囊藻毒素的样品加入到对应的石墨烯量子点荧光信号淬灭溶液中，在室温条件下孵育一段时间，设定与步骤(2)一样的荧光分光光度计激发发射波长及入射发射狭缝，取孵育好的反应溶液加入石英比色皿中检测，得出微囊藻毒素的荧光强度，根据步骤(2)微囊藻毒素浓度和荧光强度的关系曲线，得出待测微囊藻毒素的浓度，进一步计算转换成含微囊藻毒素的样品中微囊藻毒素的含量。
[0015] 所述步骤(1)中所述的TE缓冲液优选组成为40mMTris,2mM EDTA,pH＝7.4。
[0016] 所述步骤(1)中如微囊藻毒素为微囊藻毒素-LR时，微囊藻毒素-LR适配体DNA结构优选为5’-GGCGCCAAACAGGACCACCATGACAATTACCCATACCACCTCATTATGCCCCATCTCCGC-3’；互补的探针DNA1结构优选为P1DNA，P1DNA结构为5’-NH2-C6H12-CTGTGACGGTAATT-3’,探针DNA2结构优选为P2DNA，P2DNA结构为5’-TGGTATGGTCACAG-C6H12-NH2-3’,(均可购自上海Sangon生物技术有限公司合成并分装的)，使用前加入缓冲液离心溶解，离心速度优选为10000rpm，时间10min。
[0017] 优选步骤(2)荧光分光光度计激发发射波长为315nm，入射发射狭缝为5.0nm，发射谱检测范围为375-600nm。微囊藻毒素-LR的标准浓度为0-80ng/mL。
[0018] 所述步骤(1)中DNA杂交使石墨烯量子点聚集、荧光信号猝灭的方法，步骤如下：合成出的石墨烯量子点溶液，然后加入N-羟基琥珀酰亚胺和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基
碳二亚胺
盐酸盐，调节溶液pH为5，反应一段时间后，分别加入两种探针DNA1溶液和DNA2溶液，调节溶液pH为7.4，再反应一段时间；将修饰有两种探针的石墨烯量子点溶液混合，然后再加入微囊藻毒素适配体DNA，在室温下混合均匀，孵育一段时间,使石墨烯量子点发生聚集,体系荧光信号猝灭；
[0019] 进一步优选：合成出0.1mg/mL的石墨烯量子点溶液，加入N-羟基琥珀酰亚胺和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，调节溶液pH为5，反应30min后，均分装在两个容器中，分别加入与微囊藻毒素适配体DNA溶液互补的探针DNA1溶液和DNA2溶液(P1DNA溶液和P2DNA溶液)，然后将修饰有两种探针的石墨烯量子点溶液混合，然后再加入微囊藻毒素适配体DNA溶液，在室温下混合均匀，孵育一段时间,使石墨烯量子点发生聚集,体系荧光信号猝灭；
[0020] 与微囊藻毒素适配体DNA溶液互补的两种探针溶液以及适配体DNA溶液浓度均为100μM，石墨烯量子点溶液：N-羟基琥珀酰亚胺：1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐：与适配体DNA互补的探针DNA1溶液：DNA2溶液为10mL：(20-25)mg：(18-20mg)：24μL：24μL。
[0021] 本发明中，采用水热法合成了分散性良好、粒径均匀的石墨烯量子点，并在其表面分别修饰上与微囊藻毒素(如微囊藻毒素-LR)核酸适配体DNA互补的短链探针DNA(P1DNA和P2DNA)，将这两种石墨烯量子点进行混合，再加入微囊藻毒素核酸适配体DNA，通过DNA杂交使石墨烯量子点聚集，发生激子能量转移，导致石墨烯量子点荧光信号淬灭；随后加入目标检测物微囊藻毒素(如微囊藻毒素-LR)，其与核酸适配体DNA特异性结合，结构发生转变，与短链探针DNA脱离，引起石墨烯量子点聚集体解组装而重新分散，体系荧光强度恢复。
[0022] 本发明所述的可循环使用的用于检测微囊藻毒素(如微囊藻毒素-LR)的荧光传感器的制备方法，过程简单易行、绿色环保、成本低、灵敏度高、特异性好，循环效果好，并成功用于实际自来水和奥林匹克公园湖水样品中微囊藻毒素-LR的加标回收。
附图说明
[0023] 图1为本发明所述的基于适配体结构转换诱导石墨烯量子点由聚集到分散的荧光化学传感器对微囊藻毒素检测的示意图；
[0024] 图2为
实施例1加入不同浓度微囊藻毒素-LR后体系荧光强度发射曲线；
[0025] 图3根据实施例1不同微囊藻毒素-LR浓度和荧光强度对应关系绘制的拟合曲线；
[0026] 图4为本发明所述的荧光化学传感器检测微囊藻毒素循环五次后的效果图；
[0027] 图5为实施例1同一浓度不同底物下的特异性柱状图。
具体实施方式
[0028] 下面结合实施例对本发明作进一步
说明书，但本发明并不限于以下实施例。
[0029] 实施例1
[0030] 一种可循环使用的检测微囊藻毒素-LR的荧光适体传感器：
[0031] (1)DNA杂交使石墨烯量子点聚集，荧光信号猝灭：首先利用TE缓冲液分别离心溶解粉末状微囊藻毒素-LR对应的适配体DNA以及与适配体DNA互补的探针DNA(P1DNA和P2DNA)；然后通过水热法合成出石墨烯量子点，并在石墨烯量子点表面分别修饰P1DNA和P2DNA，然后将两种石墨烯量子点溶液混合，加入微囊藻毒素-LR对应的适配体DNA，通过DNA杂交引起石墨烯量子点发生聚集，荧光信号猝灭；
[0032] (2)微囊藻毒素-LR荧光检测：把不同浓度的微囊藻毒素-LR加入到淬灭溶液中，在室温条件下孵育1h，设定荧光分光光度计激发发射波长及入射发射狭缝，取孵育好的反应溶液加入石英比色皿中检测，得出不同浓度的微囊藻毒素-LR的荧光强度，根据不同浓度的微囊藻毒素-LR的荧光强度，拟合出公式y＝1.023+0.72x，其中y为最终体系荧光强度与最初体系荧光强度的比值，x为微囊藻毒素-LR的浓度。
[0033] TE缓冲液pH 7.4、缓冲液组成为40mMTris,2mM EDTA；微囊藻毒素-LR适配体DNA结构为5’-GGCGCCAAACAGGACCACCATGACAATTACCCATACCACCTCATTATGCCCCATCTCCGC-3’；P1DNA结构为5’-NH2-C6H12-CTGTGACGGTAATT-3’,P2DNA结构为5’-TGGTATGGTCACAG-C6H12-NH2-3’,由上海Sangon生物技术有限公司合成并分装。使用前加入缓冲液离心溶解，离心速度为10000rpm，时间10min。荧光分光光度计激发发射波长为315nm，入射发射狭缝为5.0nm，发射谱检测范围为375-600nm，微囊藻毒素-LR的浓度为0-80ng/mL。
[0034] 所述的石墨烯量子点修饰探针DNA的方法，具体步骤如下：10mL合成出的石墨烯量子点溶液(0.1mg/mL)，加入N-羟基琥珀酰亚胺22mg和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐19mg，调节溶液pH为5，反应30min后，分装在两个烧瓶中，均为5mL，分别加入探针P1DNA和P2DNA溶液(两种探针溶液浓度均为100μM)，体积均为24μL，调节溶液pH为7.4，反应2h。将修饰有两种探针的石墨烯量子点溶液混合，然后再加入微囊藻毒素-LR适配体DNA，在室温下混合均匀，孵育一段时间,使石墨烯量子点发生聚集,体系荧光信号猝灭；
[0035] 所述的检测微囊藻毒素-LR的方法，它的步骤如下：把含微囊藻毒素-LR样品加入到淬灭溶液中，在室温条件下孵育1h，设定荧光分光光度计激发发射波长及入射发射狭缝，取400uL孵育好的反应溶液加入石英比色皿中检测，得出微囊藻毒素-LR的荧光强度，拟合出公式y＝1.023+0.72x，其中y为最终体系荧光强度与最初体系荧光强度的比值，x为微囊藻毒素-LR的浓度，最终得出微囊藻毒素-LR的浓度。
[0036] 1.原理验证及相关性实验
[0037] 实验原理如图1所示，当将短链探针P1DNA和P2DNA修饰的石墨烯量子点P1DNA-GQDs和P1DNA-GQDs混合之后，加入微囊藻毒素-LR对应的适配体DNA，通过DNA的杂交使得石墨烯量子点聚集，发生激子能量转移，从而使石墨烯量子点的荧光信号猝灭。而后加入目标检测物微囊藻毒素，其与核酸适配体DNA特异性结合，适配体DNA结构发生转变，与短链探针DNA脱离，引起石墨烯量子点聚集体解组装而重新分散，体系荧光强度恢复。当向体系中再次加入微囊藻毒素-LR适配体DNA，石墨烯量子点有能够重新聚集，荧光信号猝灭，而后加入目标检测物微囊藻毒素，体系荧光强度又发生恢复，如此循环检测微囊藻毒素。
[0038] 2.石墨烯量子点修饰与微囊藻毒素-LR适配体DNA互补的探针P1DNA和P2DNA，具体步骤如下：10mL合成出的石墨烯量子点溶液(0.1mg/mL)，加入N-羟基琥珀酰亚胺22mg和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐19mg，调节溶液pH为5，反应30min后，分装在两个烧瓶中，均为5mL，分别加入与微囊藻毒素-LR适配体DNA互补的探针P1DNA和P2DNA，体积均为24μL，调节溶液pH为7.4，反应2h。
[0039] 3.微囊藻毒素-LR检测实验，具体实验步骤如下:
[0040] A:取0.25ml的P1DNA-GQDs溶液和等体积的P2DNA-GQDs溶液混合，再加入微囊藻毒素-LR适配体DNA，在室温下混合均匀，孵育1h,使石墨烯量子点发生聚集,体系荧光信号猝灭；
[0041] B:取0.5mL完全猝灭的石墨烯量子点,加入不同浓度微囊藻毒素-LR，浓度分别为0ng/mL,0.05ng/mL,0.1ng/mL,0.5ng/mL,1ng/mL,2ng/mL,4ng/mL,6ng/mL,8ng/mL,10ng/mL,20ng/mL,40ng/mL,60ng/mL,80ng/mL,室温下混合均匀，孵育1h后检测体系的荧光强度。
[0042] 设定光荧光分光光度计激发波长315nm，入射发射狭缝均为5nm，发射波长检测范围为375-600nm，取孵育好的反应溶液加入石英比色皿中检测，得出不同浓度的微囊藻毒素-LR的荧光强度，结果见附图2。根据不同浓度的微囊藻毒素-LR的荧光强度，在发射波长433nm处，根据不同微囊藻毒素-LR浓度和相对荧光强度对应关系绘制曲线，结果见附图3。
[0043] 4.传感器循环性能
[0044] 本发明对所述的荧光传感器检测微囊藻毒素的循环性能进行了表征，在完全猝灭的体系中加入80ng/mL的微囊藻毒素，荧光恢复；再加入80nM的微囊藻毒素适配体DNA，荧光猝灭；如此循环5次后，传感器任表现出优良的检测和循环性能。表明本发明所设计的荧光传感器是可以循环重复使用的。
[0045] 5.实验条件优化
[0046] 本发明分别对实验中石墨烯量子点荧光猝灭和恢复时间进行了优化，在等体积的P1DNA-GQDs溶液和P2DNA-GQDs溶液混合均匀后，加入微囊藻毒素-LR核酸适配体DNA后，设计了孵育时间分别为10min、20min、30min、40min、50min、60min、70min后检测反应液荧光强度；通过实验结果分析本发明选择最优实验条件：荧光猝灭时间为30min，荧光恢复时间为20min。
[0047] 6.特异性实验
[0048] 在淬灭溶液中，加入80ng/mL的微囊藻毒素-LR以及相同浓度的微囊藻毒素-LA，微囊藻毒素-YR,赭曲霉素A，赭曲霉素B和黄曲霉毒素B1，在设定条件下检测反应溶液中荧光强度。其结果如图4,可以看出本发明特异性很好。
[0049] 7.实际自来水和奥林匹克公园湖水样品中微囊藻毒素-LR的加标回收[0050] 将微囊藻毒素-LR样品加入到稀释为5％的自来水和奥林匹克公园湖水样品中，浓度分别为0.1ng/mL,0.5ng/mL,1ng/mL。测定微囊藻毒素-LR的荧光强度，根据公式y＝1.023+0.72x，其中y为最终体系荧光强度与最初体系荧光强度的比值，x为微囊藻毒素-LR的浓度，计算得出微囊藻毒素-LR的浓度并与实际加入浓度进行对比分析，结果如表1所示，从表中可以看出，该传感器的回收率处于97％-104.2％的合理范围内，表明该方法在实际样品操作中具有很好的准确度和可操作性。
[0051] 表1为本发明所述的荧光传感器在实际自来水和奥林匹克公园湖水样品中的加标回收应用；
[0052] 表1
[0053]
