黃玉坤,陶 璇,邵 坤,王 沖,王力均,車(chē)振明,陳祥貴,
(1.西華大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,四川 成都 610039;2.宜賓西華大學(xué)研究院食品非熱加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,食品非熱加工工程技術(shù)研究中心,四川 宜賓 644004)
黃曲霉毒素是一類(lèi)化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的化合物,為二氫呋喃香豆素衍生物,其熱穩(wěn)定性非常強(qiáng)[1]。在1993年被世界衛(wèi)生組織癌癥研究機(jī)構(gòu)劃定為一類(lèi)天然存在的致癌物,是毒性極強(qiáng)的劇毒物質(zhì)[2],其中黃曲霉毒素B1(aflatoxin B1,AFB1)的毒性最強(qiáng)[3]。黃曲霉毒素中毒的最主要途徑是食物中毒,世界各國(guó)相繼出臺(tái)了食品中黃曲霉毒素限量標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)與美國(guó)對(duì)淀粉類(lèi)制品(餅干、面包、蛋糕)、發(fā)酵食品(醬油、醋、豆豉、醬)、糧食產(chǎn)品(麥粉、面粉)等的AFB1限量為不超過(guò)5 μg/kg[4],歐盟則規(guī)定不得檢出。郫縣豆瓣作為川菜發(fā)酵調(diào)味品,在發(fā)酵過(guò)程中起主要作用的微生物是曲霉屬。由于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝仍然比較粗放,在發(fā)酵過(guò)程監(jiān)控不夠嚴(yán)格和標(biāo)準(zhǔn)化的情況下,產(chǎn)品極易被黃曲霉污染而產(chǎn)生黃曲霉毒素[5-6]。因此,AFB1污染情況已作為郫縣豆瓣地理標(biāo)志產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(把豆瓣地理標(biāo)準(zhǔn)列在這里)中的質(zhì)量合格要求之一進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但是,由于豆瓣富含蛋白質(zhì)、氨基酸、酶、色素、脂類(lèi)等成分,檢測(cè)基質(zhì)非常復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)對(duì)豆瓣中AFB1有效檢測(cè)面臨較大挑戰(zhàn)。因此,研究建立一種準(zhǔn)確、穩(wěn)定、高效、快速、低成本的針對(duì)郫縣豆瓣中AFB1的檢測(cè)方法變得非常必要。
核酸適配體是由一般不超過(guò)100 個(gè)堿基組成的單鏈脫氧核糖核苷酸(ssDNA)或核糖核苷酸(RNA),能特異性結(jié)合靶標(biāo)物質(zhì)[7]。近年來(lái),適配體逐漸被應(yīng)用到食品安全檢測(cè)領(lǐng)域[8-9]。目前,基于AFB1適配體的檢測(cè)方法有比色傳感檢測(cè)法[10]、競(jìng)爭(zhēng)性酶聯(lián)適配體檢測(cè)法[11]、電化學(xué)檢測(cè)法[12]、毛細(xì)管電泳檢測(cè)法[13]等。雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(hybridization chain reaction,HCR)無(wú)需酶的參與,其原理是利用一條單鏈DNA引發(fā)2 條探針之間發(fā)生雜交反應(yīng),形成超長(zhǎng)雙鏈[14-15]。該反應(yīng)通過(guò)對(duì)單鏈核苷酸進(jìn)行擴(kuò)增或自組裝以擴(kuò)大信號(hào),提高檢測(cè)方法的靈敏度[16]。操作簡(jiǎn)單、條件溫和,因此廣泛用于食品安全檢測(cè)[17-18]。Xu Yangyang等[19]以適配體為引發(fā)劑,構(gòu)建了基于HCR熒光信號(hào)放大的檢測(cè)方法,用于檢測(cè)葡萄球菌腸毒素B;Yu Shuang等[20]建立了基于適配體的HCR,并用于檢測(cè)沙門(mén)氏菌;Wang Bin等[21]應(yīng)用HCR技術(shù)研制了檢測(cè)赭曲霉毒素A的超靈敏適配體傳感器;Zhang Zhen等[22]將Hg2+介導(dǎo)的適配體與HCR信號(hào)放大反應(yīng)結(jié)合,建立了谷胱甘肽的熒光檢測(cè)方法,但鮮見(jiàn)該反應(yīng)用于AFB1高靈敏快速檢測(cè)方法的建立。
本研究基于適配體識(shí)別作用構(gòu)建郫縣豆瓣中AFB1的HCR檢測(cè)體系。該體系主要由AFB1適配體、互補(bǔ)鏈(cDNA)、氧化石墨烯(graphene oxide,GO)、FAM標(biāo)記的發(fā)夾1(HP1)和發(fā)夾2(HP2)組成。在此體系中,無(wú)AFB1存在時(shí),HP1熒光被淬滅;AFB1存在時(shí),HP1熒光恢復(fù)。在一定范圍內(nèi),熒光強(qiáng)度與樣品中AFB1的含量呈線(xiàn)性關(guān)系。最后將該方法用于多種郫縣豆瓣樣品中AFB1的測(cè)定,旨在為復(fù)雜基質(zhì)的樣品中AFB1的檢測(cè)提供新的方法。
AFB1標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(1 mg/mL)、黃曲霉毒素B2(aflatoxin B2,AFB2)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(1 mg/mL)、赭曲霉毒素A、赭曲霉毒素B、玉米赤霉烯酮、伏馬毒素 上海源葉生物科技有限公司;AFB1試劑盒 江蘇蘇微微生物研究有限公司;瓊脂糖、乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid,EDTA)(99.5%) 阿達(dá)瑪斯試劑公司;GO 南京先豐納米材料科技有限公司;DNA Marker(100~600 bp和100~1 200 bp) 北京天根生化科技有限公司;不同品牌(大弘潤(rùn)、川堰、品樂(lè)、真的老、丹丹、鑫宏丹、蜀味源、麗通、蜀城、鵬勝、川溪、鵑城)的郫縣豆瓣購(gòu)于本地超市;緩沖液(10 mmol/L Tris、5 mmol/L KCl、20 mmol/L CaCl2、120 mmol/L NaCl,pH 7.2)。
AFB1的適配體序列[23]及相關(guān)序列設(shè)計(jì)方法參考Chen Lu等[24]的報(bào)道。所有DNA序列經(jīng)生工生物工程(上海)股份有限公司合成和高效液相色譜純化。合成DNA的序列見(jiàn)表1。
表1 本實(shí)驗(yàn)所用的DNA序列Table 1 DNA sequence used in this study
恒溫混勻儀 杭州奧盛儀器有限公司;瓊脂糖水平電泳儀 北京東南儀誠(chéng)有限公司;VILBER FUSION SL4化學(xué)發(fā)光及多色熒光成像系統(tǒng) 锘海生物有限公司;Fluoromax-4熒光光譜儀 美國(guó)HORIBA集團(tuán)公司。
1.3.1 瓊脂糖凝膠電泳
使用前將HP1和HP2在95 ℃變性10 min,然后緩慢冷卻至室溫。在緩沖液存在下,1 μmol/L cDNA;1 μmol/L HP1;1 μmol/L HP2;1 μmol/L HP1和HP2;1 μmol/L HP1、1 μmol/L HP2和不同濃度的cDNA,分別在37 ℃振蕩孵育1 h。DNA產(chǎn)物通過(guò)瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行表征。用1×TAE緩沖液(40 mmol/L Tris-乙酸鹽,1 mmol/L EDTA和20 mmol/L乙酸)制備2%瓊脂糖凝膠,110 V電壓下電泳40 min,并在熒光成像儀紫外光下成像。
1.3.2 基于適配體的HCR體系檢測(cè)AFB1方法建立
使用前將HP1與HP2在95 ℃變性10 min,然后緩慢冷卻至室溫。將不同濃度的AFB1標(biāo)準(zhǔn)溶液與40 nmol/L適配體溶液混合,在37 ℃振蕩孵育30 min;加入50 nmol/L cDNA溶液,繼續(xù)振蕩孵育30 min;再加入60 nmol/L HP1和HP2,孵育1 h。最后加入50 μg/mL GO溶液。加入緩沖液至總體積為500 μL,在37 ℃振蕩孵育30 min后測(cè)定熒光強(qiáng)度。熒光光譜儀測(cè)定條件:激發(fā)波長(zhǎng)為480 nm,發(fā)射波長(zhǎng)的范圍為500~600 nm。
1.3.3 基于適配體的HCR體系檢測(cè)AFB1方法的特異性評(píng)價(jià)
選擇5 種常見(jiàn)的真菌毒素(AFB2、赭曲霉毒素A、赭曲霉毒素B、玉米赤霉烯酮、伏馬毒素)作為干擾物質(zhì),質(zhì)量濃度均為50 ng/mL。采用1.3.2節(jié)檢測(cè)方法進(jìn)行特異性檢測(cè)。
1.3.4 豆瓣樣品中AFB1的檢測(cè)應(yīng)用
稱(chēng)取10.0 g豆瓣樣品,粉碎后加入50 mL 50%甲醇溶液和20 mL正己烷,振蕩15 min后轉(zhuǎn)入分液漏斗中待分層。收集下層溶液10 mL旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮后,加入10 mL 10%甲醇-Tris-HCl復(fù)溶。然后將不同濃度的AFB1標(biāo)準(zhǔn)溶液添加到1 mL樣品液中。對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行3 次標(biāo)準(zhǔn)添加和回收實(shí)驗(yàn),計(jì)算回收率。HCR方法與GB 5009.22—2016《食品中黃曲霉毒素B族和G族的測(cè)定》中的酶聯(lián)免疫吸附法[25]試劑盒同時(shí)測(cè)定12 種不同品牌的郫縣豆瓣中AFB1的含量。
利用Excel處理數(shù)據(jù),用Origin 8.0軟件作圖。用Duncan多重比較進(jìn)行顯著性分析,P<0.05,差異顯著。
本實(shí)驗(yàn)基于核酸適配體的HCR體系檢測(cè)AFB1的原理如圖1所示。該傳感器主要由AFB1適配體、cDNA、HP1和HP2組成。cDNA與AFB1適配體可通過(guò)氫鍵作用部分雜交配對(duì)[19],HP1和HP2與cDNA完全互補(bǔ)配對(duì)并可自身部分互補(bǔ)形成“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)的探針。HP1的5’末端(a鏈)修飾熒光分子FAM,3’端(b鏈)有6 個(gè)未配對(duì)的堿基作為黏性末端。cDNA通過(guò)與HP1的b鏈配對(duì)引發(fā)a與b解鏈。發(fā)夾結(jié)構(gòu)HP1中被暴露出的a鏈與HP2中的a’鏈互補(bǔ)配對(duì)而引發(fā)HP2的b’與a’解鏈。HP2解鏈后的b’鏈會(huì)再次與HP1雜交,如此反復(fù)自組裝,發(fā)生HCR,形成超長(zhǎng)雙鏈DNA,該雙鏈DNA上有多個(gè)有機(jī)熒光素FAM。GO對(duì)單鏈DNA具有很強(qiáng)的吸附性能。HP1的黏性末端通過(guò)π-π堆積作用被吸附到GO表面,其末端的熒光基團(tuán)FAM與GO發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移,熒光被淬滅[26-28]。GO對(duì)雙鏈DNA的吸附能力弱,因此發(fā)生HCR反應(yīng)后的超長(zhǎng)雙鏈中FAM的熒光被淬滅的程度顯著降低[29]。當(dāng)不存在靶標(biāo)AFB1時(shí),cDNA不能觸發(fā)HCR的HP1與HP2結(jié)合,HP1關(guān)閉,熒光信號(hào)較低。當(dāng)存在靶標(biāo)AFB1時(shí),適配體-AFB1的親和力高于適配體-cDNA,cDNA觸發(fā)HP1與HP2互補(bǔ)配對(duì),HP1被打開(kāi)并恢復(fù)熒光信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)AFB1的定量分析。
圖1 基于適配體的CR體系檢測(cè)原理圖Fig. 1 Schematic illustration of the principle of hybridization chain reaction based on aptamer
圖2 單鏈DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Secondary structures of single-stranded DNA
本實(shí)驗(yàn)中的HP1、HP2、cDNA通過(guò)NUPACK軟件設(shè)計(jì)得到,通過(guò)Mfold軟件模擬序列的二級(jí)結(jié)構(gòu)如圖2所示,HP1和HP2為發(fā)夾結(jié)構(gòu),cDNA為與AFB1部分互補(bǔ)的短鏈。該預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理想結(jié)構(gòu)相符。
瓊脂糖凝膠(質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%)用于表征和驗(yàn)證HCR擴(kuò)增和基于適配體的HCR系統(tǒng)。由圖3可知,當(dāng)不存在cDNA時(shí),只有一條清晰的條帶(泳道e),HP1和HP2未發(fā)生雜交,沒(méi)有高分子質(zhì)量DNA產(chǎn)物生成。加入不同濃度的cDNA時(shí),泳道f~i有高分子質(zhì)量的DNA生成,這表明cDNA的存在引發(fā)了HCR,并且隨cDNA濃度的降低呈現(xiàn)平均分子質(zhì)量增加的趨勢(shì)[30]。
圖3 HCR產(chǎn)物的瓊脂糖凝膠電泳圖Fig. 3 Agarose gel electrophoresis images of nucleic acids in HCR products
由圖4a可知,F(xiàn)AM在480 nm波長(zhǎng)處受到激發(fā)后在波長(zhǎng)516 nm左右具有最高的熒光強(qiáng)度。由圖4b可知,GO在500~700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)都具有光吸收特性,與FAM標(biāo)記發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移,進(jìn)而引起熒光淬滅。
圖4 FAM被GO淬滅前后的熒光光譜(a)和GO的紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖(b)Fig. 4 Fluorescence spectra of FAM before and after quenching by GO (a) and UV-visible absorption spectrum of GO (b)
圖5 進(jìn)一步驗(yàn)證了基于適配體的HCR系統(tǒng)(AFB1適配體、cDNA、HP1、HP2、GO、AFB1的濃度分別為20 nmol/L、20 nmol/L、60 nmol/L、60 nmol/L、20 ng/mL、20 ng/mL)。未加入GO時(shí),F(xiàn)AM的熒光不被淬滅,熒光強(qiáng)度較高(圖5a)。加入GO后,HP1和HP2被吸附到GO表面,F(xiàn)AM熒光被淬滅,熒光強(qiáng)度明顯降低(圖5b)。加入cDNA時(shí),cDNA引發(fā)了HP1和HP2之間的HCR,發(fā)夾探針的熒光得到恢復(fù)(圖5c)。當(dāng)靶標(biāo)AFB1存在時(shí),適配體與AFB1結(jié)合使得更多的cDNA引發(fā)HCR,生成多個(gè)聚合雙螺旋DNA,熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)(圖5d)。由此證明了該方法的可行性。
圖5 不同反應(yīng)體系的熒光響應(yīng)Fig. 5 Fluorescence responses of different reaction systems
2.4.1 互補(bǔ)短鏈cDNA的濃度優(yōu)化
圖6 引發(fā)探針cDNA與適配體的濃度對(duì)熒光信號(hào)的影響Fig. 6 Effect of concentration of cDNA and aptamer on fluorescence signal
cDNA作為HCR的引發(fā)鏈,其濃度對(duì)雙鏈DNA產(chǎn)物的形成和熒光信號(hào)的強(qiáng)弱有著直接影響,本實(shí)驗(yàn)中固定適配體為40 nmol/L,優(yōu)化了cDNA的濃度。如圖6所示,隨著cDNA的濃度增大,熒光強(qiáng)度顯著升高。當(dāng)cDNA與AFB1適配體濃度比達(dá)到1.25后,熒光強(qiáng)度緩慢升高,這表明cDNA引發(fā)HP1和HP2雜交產(chǎn)生的雙鏈產(chǎn)物幾乎達(dá)到了飽和狀態(tài)。因此,選用濃度比為1.25時(shí)的cDNA濃度(50 nmol/L)為最佳反應(yīng)濃度。
2.4.2 HP1和HP2濃度優(yōu)化
在HCR體系中,HP1與HP2之間進(jìn)行互補(bǔ)錯(cuò)位雜交,因此將HP1和HP2以1∶1的濃度比混合參與反應(yīng)。如圖7所示,熒光強(qiáng)度隨著反應(yīng)體系中HP1與HP2的濃度增大而增強(qiáng)。當(dāng)HP1與HP2濃度達(dá)到60 nmol/L時(shí)反應(yīng)體系的熒光強(qiáng)度最強(qiáng),當(dāng)HP1與HP2濃度繼續(xù)增大,熒光強(qiáng)度降低。熒光強(qiáng)度降低可能是核酸濃度太高產(chǎn)生了空間位阻,導(dǎo)致雜交鏈的形成受到影響[19,31]。因此選擇60 nmol/L的濃度作為最佳反應(yīng)濃度。
圖7 發(fā)夾探針P1/P2的濃度對(duì)熒光強(qiáng)度的影響Fig. 7 Effect of concentration of hairpin probe HP1/HP2 on fluorescence intensity
2.4.3 雜交孵育時(shí)間優(yōu)化
圖8 cDNA與P1/P2雜交時(shí)間對(duì)熒光強(qiáng)度的影響Fig. 8 Effect of hybridization time on fluorescence intensity
由圖8可知,熒光強(qiáng)度隨著孵育時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)。當(dāng)孵育時(shí)間達(dá)到60 min后,熒光強(qiáng)度降低,說(shuō)明孵育時(shí)間在60 min左右HCR已經(jīng)幾乎達(dá)到飽和狀態(tài),因此選擇60 min作為最佳雜交孵育時(shí)間。
2.4.4 GO質(zhì)量濃度優(yōu)化
圖9 GO質(zhì)量濃度對(duì)熒光強(qiáng)度的影響Fig. 9 Effect of GO concentration on fluorescence intensity
如圖9所示,當(dāng)GO質(zhì)量濃度小于50 μg/mL時(shí),熒光信號(hào)逐漸降低;當(dāng)質(zhì)量濃度超過(guò)50 μg/mL時(shí),熒光信號(hào)基本不再變化。因此GO的最佳質(zhì)量濃度為50 μg/mL。
在上述最佳的實(shí)驗(yàn)條件下研究了校準(zhǔn)曲線(xiàn)和靈敏度。如圖10a所示,隨著一系列AFB1濃度的增加,熒光強(qiáng)度增加。圖10b顯示構(gòu)建的基于AFB1適配體的HCR檢測(cè)系統(tǒng)的熒光強(qiáng)度與AFB1質(zhì)量濃度之間的線(xiàn)性關(guān)系。結(jié)果顯示,AFB1在2~60 ng/mL范圍內(nèi)具有良好的線(xiàn)性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2=0.971,線(xiàn)性回歸方程為Y=755.28X+49 448.17,檢測(cè)限為1.84 ng/mL。如表2所示,與其他快速檢測(cè)方法相比,本實(shí)驗(yàn)具有較高的靈敏度。
圖10 不同質(zhì)量濃度AFB1存在下CR的熒光強(qiáng)度(a)及其線(xiàn)性關(guān)系(b)Fig. 10 Fluorescence spectra of hybrid chain reaction at different concentrations of AFB1 (a) and linear relationship (b) between fluorescence intensity and AFB1 concentration
表2 現(xiàn)有檢測(cè)AFB1方法的靈敏度比較Table 2 Comparison of the sensitivity of currently available methods for the detection of AFB1
如圖11所示,由于AFB1和AFB2分子結(jié)構(gòu)具有較高相似性,該檢測(cè)方法基于構(gòu)象識(shí)別的原理表現(xiàn)為對(duì)AFB2存在18.92%的交叉反應(yīng)率,與其他真菌毒素?zé)o顯著交叉反應(yīng),表明方法的特異性強(qiáng),可用于檢測(cè)AFB1。
圖11 CR檢測(cè)體系的特異性評(píng)價(jià)Fig. 11 Specificity evaluation of the HCR detection system
通過(guò)向某個(gè)豆瓣樣品中添加AFB1標(biāo)準(zhǔn)溶液,使最終加標(biāo)質(zhì)量濃度分別為4、15、30 ng/mL,采用本實(shí)驗(yàn)所建立的HCR法進(jìn)行檢測(cè),每個(gè)樣品做3 次平行實(shí)驗(yàn)。如表3所示,本方法的加標(biāo)回收率在85.73%~94.25%之間,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在3.24%~6.05%之間,表明該方法具有較好的準(zhǔn)確度,可用于豆瓣樣品中AFB1的檢測(cè)。
表3 加標(biāo)回收率(n=3)Table 3 Recoveries of AFB1in spiked samples (n= 3)
對(duì)購(gòu)買(mǎi)于本地超市的12 種不同品牌的郫縣豆瓣樣品進(jìn)行實(shí)際樣品的檢測(cè)分析,結(jié)果見(jiàn)表4。10 個(gè)樣品檢測(cè)出AFB1,平均污染水平為3.42 μg/kg,最高污染水平為4.50 μg/kg,與GB 5009.22—2016酶聯(lián)免疫吸附法相比,二者測(cè)定結(jié)果無(wú)顯著差異(P>0.05)。所有樣品的檢測(cè)均未超出國(guó)標(biāo)限量(5 μg/kg),說(shuō)明這12 種來(lái)自不同品牌的郫縣豆瓣AFB1污染程度較小。
表4 郫縣豆瓣中AFB1測(cè)定(n=3)Table 4 AFB1contents in Pixian broad-bean paste determined by the developed method and the national standard method (n= 3)
本研究建立了基于AFB1核酸適配體的HCR熒光檢測(cè)方法。通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件,最終確定cDNA濃度50 nmol/L;HP1和HP2濃度60 nmol/L;孵育時(shí)間60 min;GO質(zhì)量濃度50 μg/mL。該方法的檢測(cè)限為1.84 ng/mL,線(xiàn)性范圍為2~60 ng/mL,R2=0.971。 該方法在實(shí)際樣品郫縣豆瓣中的加標(biāo)回收率為85.73%~94.25%。該方法用于12 種不同品牌的郫縣豆瓣的檢測(cè),10 個(gè)樣品檢測(cè)出AFB1,平均污染水平為3.42 μg/kg,最高污染水平為4.50 μg/kg,與GB 5009.22—2016酶聯(lián)免疫吸附法試劑盒檢測(cè)結(jié)果無(wú)顯著差異。本研究建立的檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單,選擇性強(qiáng),無(wú)需標(biāo)記AFB1核酸適配體,不影響核酸適配體的結(jié)構(gòu)變化,不干擾其與AFB1的結(jié)合。同時(shí),采用HCR體系擴(kuò)大信號(hào),提高了檢測(cè)方法的靈敏度,為復(fù)雜基質(zhì)樣品中AFB1的檢測(cè)提供了新的檢測(cè)方法。