基于UiO-66-NH2与适配体之间荧光共振能量转移检测大米中的镉离子.pdf
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1、380 2023,Vol.44,No.20 食品科学 安全检测基于UiO-66-NH2与适配体之间荧光共振能量 转移检测大米中的镉离子程 静,齐珍丽,许 宙,丁 利,程云辉,陈茂龙*(长沙理工大学食品与生物工程学院,湖南 长沙 410114)摘 要:基于荧光共振能量转移猝灭荧光标记的Cd2适配体建立了一种简便、灵敏和准确Cd2检测的方法。通过对3 种金属有机框架材料(UiO-66-NH2、MIL-101(Cr)和ZIF-8)进行实验,选出其中带正电荷数值更大、粒径适宜且在水中能稳定分散的UiO-66-NH2作为荧光猝灭剂;通过带正电的UiO-66-NH2与带负电的适配体相互作用而产生荧光共振能
2、量转移达到荧光猝灭效果;利用Cd2与适配体的特异性相互作用,从而释放出荧光标记的适配体,并恢复荧光,以此构建一款Cd2荧光传感器。实验优化条件下建立的Cd2荧光传感器在0.0110 mol/L范围内产生的荧光强度与Cd2浓度呈良好线性关系;该生物传感器对Cd2具有良好的选择特异性,能对实际样品中的Cd2有较好的检出能力。通过调整适配体序列能方便地研究构建其他重金属离子的荧光传感器,使得该传感器具有较好的普适性。关键词:UiO-66-NH2;Cd2;适配体;检测;荧光传感器Fluorescence Resonance Energy Transfer between UiO-66-NH2 and
3、Aptamer for Cadmium Ion Detection in RiceCHENG Jing,QI Zhenli,XU Zhou,DING Li,CHENG Yunhui,CHEN Maolong*(School of Food Science and Bioengineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China)Abstract:A simple,sensitive and accurate method for the detection of Cd2+was establis
4、hed based on fluorescence resonance energy transfer to quench fluorescently labeled Cd2+aptamers.Among three metal-organic framework materials(UiO-66-NH2,MIL-101(Cr),and ZIF-8),UiO-66-NH2,with larger positive charges,suitable particle size and stable dispersion in water,was selected as a fluorescenc
5、e quencher.Fluorescence resonance energy transfer was generated by the interaction between positively charged UiO-66-NH2 and negatively charged aptamers to achieve fluorescence quenching.A fluorescent sensor for the detection of Cd2+was constructed by using the specific interaction between Cd2+and t
6、he aptamer to release the fluorescently labeled aptamer and restore the fluorescence.The fluorescence intensity of the sensor showed a good linear relationship with Cd2+concentration in the range of 0.0110 mol/L.The biosensor had good selectivity and specificity for Cd2+,and could detect Cd2+in actu
7、al samples.Most importantly,by adjusting the aptamer sequence,it is convenient to explore and construct fluorescent sensors for the detection of other heavy metal ions,so the sensor has wide applicability.Keywords:UiO-66-NH2;Cd2+;aptamer;detection;fluorescence sensorDOI:10.7506/spkx1002-6630-2022100
8、3-021中图分类号:TS201.6 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2023)20-0380-07引文格式:程静,齐珍丽,许宙,等.基于UiO-66-NH2与适配体之间荧光共振能量转移检测大米中的镉离子J.食品科学,2023,44(20):380-386.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221003-021.http:/ CHENG Jing,QI Zhenli,XU Zhou,et al.Fluorescence resonance energy transfer between UiO-66-NH2 and aptamer for cadmium i
9、on detection in riceJ.Food Science,2023,44(20):380-386.(in Chinese with English abstract)DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221003-021.http:/收稿日期:2022-10-03基金项目:湖南省优秀青年项目(2022JJ20039)第一作者简介:程静(1997)(ORCID:0000-0002-0485-9416),女,硕士,研究方向为食品生物技术。E-mail:*通信作者简介:陈茂龙(1986)(ORCID:0000-0002-3818-4955),男,副教授,博士,研究方
10、向为食品安全检测。E-mail:安全检测 食品科学 2023,Vol.44,No.20 381现代工业的迅速发展,引发了一系列的环境问题,包括大气污染、土壤污染和水源污染等。污染因素种类众多,其中重金属镉污染具有隐蔽性、长期性和累积性等特性1,毒害效应短期难以察觉,但是通过食物链累积,即使浓度很低,它也能导致人体各种健康问题。如镉中毒会损害心血管和免疫系统,导致癌症、糖尿病、肾衰竭、肝功能衰竭,以及心脏病等致命疾病2。我国是世界第二大水稻粮食种植国,产量占国内粮食总产量的1/3以上,湖南省是人均大米消费量最高的省份3。研究发现水稻、小麦等粮食作物对镉有一定的富集能力,其中水稻更容易富集镉4,对
11、食用者的身体健康产生较严重危害。因此,必须开展对大米中重金属镉的检测研究,这对预防镉离子(Cd2)的伤害具有积极意义。Cd2常用的传统检测方法有原子光谱法、电感耦合等离子体质谱法、冷蒸汽原子荧光光谱法和阳极溶出伏安法等,这些都是非常灵敏有效的检测方法,但价格昂贵且速度慢5-6。传统的检测方法已经无法满足社会的日常检测需求。本研究的目的是要创建一种更加简便、灵敏、准确、特异性强并方便实践应用的Cd2实时传感分析方法,对满足当今日益增长的生产生活需要有 较大意义。近年来,荧光生物传感器由于其方便快捷、灵敏度高、选择性好等优点7,引起了科学家的极大兴趣。本研究在此基础上开发一种以金属有机框架(met
12、al-organic frameworks,MOFs)为荧光猝灭剂的新型荧光生物传感器。MOFs由于其多孔骨架结构8、可调节孔径9、比表面积大和良好的化学稳定性10-11,在生物传感器12、生物医学13、电催化14、能量存储和转化15等领域得到了广泛的应用。特别是当它们与适配体功能化结合时,MOFs可用于构建高性能的生物传感器,应用范围从医疗诊断16、食品安全检测17到环境监测18。MOFs的均匀晶体结构、高比表面积及可调的孔结构,允许多种DNA、RNA和适配体附着或修饰,从而构建基于MOFs作为能量受体的荧光共振能量转移传感器。本实验将MOFs中水稳定分散的UiO-66-NH2作为荧光猝灭剂
13、,利用其较大的比表面积和孔隙率,通过荧光共振能量转移猝灭荧光标记的适配体,再利用Cd2与适配体的特异性相互作用,恢复荧光,以此构建一款Cd2荧光传感器,方法原理如图1所示。此方法构建的Cd2荧光生物传感器具有简便易行、灵敏度较高、特异性强的优点。518518?Cd2?Cd2?UiO-66-NH2UiO-66-NH2?6-FAM-?Cd2?图 1 UiO-66-NH2/适配体生物传感器检测Cd2的原理图Fig.1 Schematic diagram of UiO-66-NH2/aptamer biosensor for detecting Cd2+1 材料与方法1.1 材料与试剂氨基对苯二甲酸、
14、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸、无水乙醇、九水合硝酸铝、六水合氯化镁、四水合乙酸钴、四水合乙酸镍、四水合硝酸镉、氯化钠、氯化钾、溴化钾 国药集团化学试剂有限公司;四氯化锆 北京百灵威科技有限公司;二水合氯化钙、四水合氯化亚铁、三水合乙酸铅、五水合硫酸铜 西陇化工股份有限公司;六水合三氯化铁 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;所有化学试剂均为分析纯。荧光基团修饰的适配体 生工生物工程(上海)股份有限公司。适配体序列19:5-6-FAM-CTC AGG ACG ACGGGT TCA CAG TCC GTT GTC-3。1.2 仪器与设备Nicolet 670傅里叶变换红外光谱仪 美国Thermo公司;F
15、96PRO荧光分光光度计 上海棱光技术有限公司;Rigaku Smartlab 9粉末X射线衍射(powder X-ray diffraction,PXRD)仪 日本理学株式会社;Quanta 400 FEG高分辨热场发射扫描电子显微镜 美国FEI 公司;Zetasizer nano激光粒度仪 英国Malvern公司。1.3 方法1.3.1 材料的制备根据文献20的方法合成UiO-66-NH2;根据文献21的方法合成ZIF-8。MIL-101合成根据文献22方法,并进行一定修改。将Cr(NO3)39H2O、对苯二甲酸、HF、超纯水混匀并超声15 min,最后均溶于100 mL反应釜中,于220
16、 烘箱382 2023,Vol.44,No.20 食品科学 安全检测中反应12 h。冷却离心(6 000 r/min,8 min),并且用超纯水、乙醇洗涤,70 真空干燥过夜,得到浅绿色的粉末。适配体溶液母液的配制:适配体开盖前先离心(4 000 r/min,3060 s),每吸光度的引物加33 L的Tris-HCl(pH 7.42)缓冲液配制成100 mol/L贮存液,混匀后20 冷藏待用。1.3.2 检测条件的优化在完整的检测体系下,适配体浓度分别设置为0.1、0.2、0.3 mol/L和0.4 mol/L,根据荧光强度选择合适的适配体浓度。并且在不加入目标物Cd2的条件下,UiO-66-
17、NH2的终质量浓度分别设置为0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80 mg/mL和1.0 mg/mL,通过测定518 nm波长处荧光的猝灭强度,以确定最适UiO-66-NH2浓度。根据已报道文献将所使用的NaCl浓度设置区间在80150 mmol/L之间,考察在不同浓度下荧光恢复强度。设置不同的孵育温度(4、15、25、37)和孵育时间(10、20、40、60、80、100、120 min),以探究目标物在不同温度和不同时间下与适配体结合后荧光恢复情况。1.3.3 检测方法的建立通过Cd2适配体和UiO-66-NH2纳米颗粒通过配位结合
18、制备UiO-66-NH2纳米颗粒Cd2传感器。适配体溶液稀释至2.0 mol/L,贮存在4 的冰箱以待后续使用,将100 L浓度为2.0 mol/L的Cd2适配体添加到质量浓度为0.2 mg/mL的UiO-66-NH2纳米颗粒中,混合均匀,并在室温下孵育0.5 h。然后将混合物离心(2 000 r/min、1 min)以从混合物中除去未结合的适配体,最后将UiO-66-NH2/适配体传感器分散在缓冲液中。配制不同浓度的Cd2标准溶液(pH 7.4),并储存在4 冰箱中。加入100 L 2.0 mg/mL UiO-66-NH2溶液,加入100 L不同浓度的Cd2适配体标准液,加入700 L Tr
19、is-HCl(pH 7.42)缓冲溶液后混匀,25 孵育100 min后,然后测定样品的荧光强度(适配体终浓度200 nmol/L,UiO-66-NH2终质量浓度0.2 mg/mL)。荧 光 检 测 条 件 为 微 量 石 英 比 色 皿,激 发 波 长480 nm,发射波长500700 nm,扫描速率1 000 nm/min,狭缝宽度10 nm。1.3.4 实际样品检测水 样 的 前 处 理:取 自 来 水 水 样,采 集 完 后 用0.22 mol/L的水系滤膜过滤,然后用火焰原子吸收光谱测其Cd2含量,用1%硝酸溶液酸化,置于干净的容量瓶中,4 冰箱冷藏待用。大米样品的前处理:镉测定参考
20、GB 5009.152014食品中镉的测定。加标样的制备:向25.0 mL处理后的自来水和大米样中分别加入Cd2标准溶液,得到终浓度为50、500 nmol/L的Cd2待检测样品。2 结果与分析2.1 材料的筛选首先选择3 种不同金属中心构成的MOFs,通过测定UiO-66-NH2、MIL-101(Cr)、ZIF-8三款材料的粒径和电荷性质。如图2所示,最终选择粒径适宜、带正电荷数值更大的UiO-66-NH2开展后续检测研究。00200400600800 1 000 1 200 1 40020100806040?/nmUiO-66-NH2aMIL-101?Cr?ZIF-868.10331.96
21、1 331.230.0?50?2502550751000.21.00.80.60.4?Zeta?/mVUiO-66-NH2bMIL-101?Cr?ZIF-80.391.0225.92图 2 MIL-101(Cr)、ZIF-8、UiO-66-NH2的总粒径(a)和 总电位(b)图Fig.2 Total particle size(a)and total potential(b)of MIL-101(Cr),ZIF-8,and UiO-66-NH22.2 材料的结构表征通过红外光谱(图3a)可以确定金属与配体已经完全配位,对比已报道的文献23,NH2特征振动峰群出现在3 471 cm1和3 350
22、 cm1,在1 656、1 579 cm1显示羧基与Zr的配位,说明UiO-66-NH2材料的合成成功。如图3b所示,考察UiO-66-NH2的孔径大小和BET比表面积(约为513 m/g)。为观察UiO-66-NH2的形貌,通过扫描电镜对样品进行观察(图3c)表明,UiO-66-NH2具有较好的八面体结构,结合PXRD图可以说明UiO-66-NH2的成功合成。UiO-66-NH2单晶模拟的PXRD峰形与实际合成的PXRD峰形(图3d),主要的衍射峰位置都保持一致且较尖锐,表明材料合成成功且结晶性好。安全检测 食品科学 2023,Vol.44,No.20 3833 500 3 0002 000
23、1 0002 5001 500500?/cm?1a3 4713 3501 6561 579?NH2?COO?COO?1200.00.20.40.60.81.0160280b240200?/?cm3/g?1 m20.00 kV 16.4 mm 100 000?c510d115202530354045502/?510d215202530354045502/?d:下标1、2分别表示模拟和UiO-66-NH2。图 3 UiO-66-NH2的红外光谱图(a)、N2吸附等温线图(77 K)(b)、扫描电镜图(c)和PXRD图(d)Fig.3 IR spectrum(a),N2 adsorption iso
24、therm(77 K)(b),scanning electron micrograph(c)and power X-ray diffraction pattern(d)of UiO-66-NH22.3 传感体系的构建由于6-FAM标记的荧光适配体带负电荷,为验证适配体成功吸附在UiO-66-NH2上,通过测定混合体系以及UiO-66-NH2的粒径和电位变化(图4),发现UiO-66-NH2与适配体在缓冲溶液中结合后,适配体的负电荷会与UiO-66-NH2的正电荷相互抵消,电位从8.56 mV降低至1.01 mV,粒径从332 nm增加至377 nm。水合粒径增大及电位变小说明适配体已经成功吸附
25、至UiO-66-NH2上,表明UiO-66-NH2/适配体传感体系构建成功。02803003203604003403804404204020100a8060UiO-66-NH2UiO-66-NH2?/nm0.0?50050?2525100750.40.21.0b0.80.6UiO-66-NH28.561.01UiO-66-NH2?Zeta?/mV图 4 UiO-66-NH2和UiO-66-NH2/适配体的粒径(a)和电位(b)变化图Fig.4 Changes in particle size(a)and potential(b)of UiO-66-NH2 and UiO-66-NH2/apta
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