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基于氧化石墨烯/金纳米复合材料和抗体的棒曲霉素免疫电化学玻碳电极传感器的研制

来源:https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.128257发布时间:2022-06-07

真菌毒素检测和脱毒



基于氧化石墨烯/金纳米复合材料和抗体的棒曲霉素免疫电化学玻碳电极传感器的研制

Development of an immuno-electrochemical glass carbon electrode sensor based on graphene oxide/gold nanocomposite and antibody for the detection of patulin
 

摘要:棒曲霉素会导致神经系统和胃肠道疾病,因此对人体健康有很大危害。本研究研制了一种用于快速、灵敏检测棒曲霉素的玻碳电极(GCE)传感器。本研究制备了抗棒曲霉素-BSA IgG,并将其固定在包被氧化石墨烯/金纳米复合材料的GCE上,样品中的棒曲霉素可被GCE传感器表面的抗棒曲霉素-BSA IgG捕获,通过IgG与棒曲霉素的反应,降低了IgG对GCE传感器的空间位阻效应,从而降低传感器的电子转移阻力。固定化抗棒曲霉素-BSA-IgG GCE传感器的电流变化与棒曲霉素浓度呈线性关系,有利于棒曲霉素的灵敏检测,该传感器可在不到1min快速检测棒曲霉素,检测下限为5µg/L。

关键词: 玻碳电极; 氧化石墨烯/金纳米复合材料; 真菌毒素; IgG; 棒曲霉素
 

1.免疫电化学GCE传感器检测棒曲霉素的原理


       如图1所示,在裸露、抛光的GCE涂上GO/Au纳米复合材料,然后固定在抗棒曲霉素-BSA IgG。免疫电化学GCE传感器中的电子传递被IgG相关的空间位阻所阻断,导致高电阻的产生。固定化IgG与棒曲霉素的相互作用使棒曲霉素的电阻降低,电流增大,为棒曲霉素的检测提供了数据。


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图 1 用于棒曲霉素检测的固定化GCE传感器的制备示意图


2. 合成物GO和GO/Au的表征


       利用透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线衍射仪对合成的GO和GO/Au的结构和光学性质进行表征。透射电镜显示,GO片表面光滑、平坦,金纳米颗粒(20-50 nm)均匀分布在GO片中(如图2所示)。
       在拉曼光谱下,纳米复合材料在约1,362 cm−1和1,606 cm−1处有两个突出的峰,分别属于D带和G带(图3a)。GO/Au纳米复合材料的D带与G带的强度比(0.97)高于GO(0.93),表明存在缺陷。D带代表结构缺陷引起的无序碳,而G带对应于sp2碳原子的E2g声子。在GO表面包覆金纳米粒子后,这两个谱带的强度都有所增强,这可能是由于表面增强的局域拉曼散射所致。金纳米粒子产生的电磁场,表现出等离子体共振。结果表明,在合成的纳米复合材料中同时存在GO和Au。GO/Au纳米复合材料的X射线光电子能谱图谱显示O1s(532.6 eV)、C1s(286.9 eV)和Au4f(85.3eV)峰,分别对应于O、C和Au(图3c)。

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图 2 合成GO/Au纳米复合材料的透射电镜图像

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图 3 GO/Au纳米复合材料的拉曼光谱(a)、X射线衍射图(b)和X射线光电子能谱(c)

3.裸和固定化抗棒曲霉素-BSA-IgG GCE传感器的电化学性质研究

       

       使用DPV和EIS分析了裸露的GCE和固定化抗棒曲霉素-BSA IgG GCE传感器的电化学性质。固定化的抗棒曲霉素-BSA IgG GCE传感器的电流值明显低于裸露的GCE,这表明IgG存在空间阻碍效应(图4a)。根据EIS的评估,固定化的抗棒曲霉素-BSA IgG GCE传感器的电荷转移阻力大于裸露的GCE,这表明电子转移更困难(图4b)。半圆直径的增加表明IgG和卵清蛋白在GCE表面的空间阻碍效应增加了电子转移的阻力(图4b)。

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图 4 用DPV和EIS分析裸露GCE和固定化抗棒曲霉素-BSA IgG GCE传感器的电化学性质
 

4.利用免疫电化学GCE传感器检测棒曲霉素

       
       图5a显示了浓度为0-1000µg/L的棒曲霉素样品的分析结果,峰电流随棒曲霉素浓度的增加而增加,最高可达500µg/L(图5a, b)。棒曲霉素浓度在5µg/L~200µg/L范围内呈良好的线性关系(R2=0.9771)(图5c)。由图可知,免疫电化学GCE传感器可以定量测定棒曲霉素浓度,最高可达200µg/L,检测下限为5µg/L,检测时间不到1分钟。随着适体-棒曲霉素反应降低电阻,固定化适体GCE的峰电流随着棒曲霉素浓度的增加而增加,分析可能是适体对电子转移的空间阻碍减少。结果表明,免疫电化学GCE传感器检测棒曲霉素的速度比色谱方法更快、更灵敏。

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图 5 固定化抗棒曲霉素-牛血清白蛋白GCE传感器检测棒曲霉素


5.棒曲霉素免疫电化学GCE传感器的特异性研究

         
       为了证实免疫电化学GCE传感器检测棒曲霉素的特异性,本研究考察了其与赭曲霉毒素A的交叉反应。当赭曲霉毒素A的浓度从0增加到1000µg/L时,电流没有统计学上的变化;另一方面,电流随着棒曲霉素浓度的增加而急剧增加(图6)。这结果表明,免疫电化学GCE传感器不介导赭曲霉毒素A的免疫吸附,具有良好的特异性。

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图 6 棒曲霉素、牛血清白蛋白和赭曲霉毒素A的固定化抗棒曲霉素-BSA IgG GCE传感器的特异性


总结:本研究建立了一种简单、快速、灵敏的检测真菌代谢物棒曲霉素的方法,将抗棒曲霉素-BSA IgG固定在包被GO/Au纳米复合材料的GCE传感器上。该免疫电化学GCE传感器不与赭曲霉毒素A发生交叉反应,但与载体蛋白BSA发生交叉反应,这可能限制其在含有BSA的样品中的应用。免疫电化学GCE传感器在不到1分钟的时间内检测到浓度低至5µg/L的棒曲霉素。



Xsa B, Dw B, Mkb C. Development of an immuno-electrochemical glass carbon electrode sensor based on graphene oxide/gold nanocomposite and antibody for the detection of patulin - ScienceDirect[J]. Food Chemistry, 2020. 

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.128257



 

文稿:薛晴谦        编辑:上官国莲        审核:王敬敬