基于聚集诱导发光分子和氧化石墨烯的双色荧光信号输出传感器用于检测食物中黄曲霉毒素

https://doi.org/10.1016/j.giant.2022.100132

内容简介

本工作利用AIE分子(TPE-Z)作为荧光探针、以Cy5标记的核酸适配体作为识别元件和氧化石墨烯(GO)作为荧光猝灭剂构建双色荧光信号传感器。当体系中引入黄曲霉毒素（AFB1）后，传感器的荧光信号从“关”变为“开”，输出两个荧光信号。通过监测TPE-Z(480 nm)和Cy5(670 nm)的荧光信号变化，实现对玉米、大米和大豆等食物样品中黄曲霉毒素(AFB1)快速而准确检测。

背景介绍

真菌毒素是由霉菌产生的一类次生代谢产物，广泛分布于自然界中，尤其在食品中较为常见。当人类和动物通过食物摄入真菌毒素时，会导致身体功能下降，引发各种疾病甚至死亡。其中，黄曲霉毒素B1(AFB1)的毒性最强，污染范围最广，且能够阻止细胞中RNA合成，在很大程度上增加人类和动物肝硬化、坏死和癌症的风险，已被世界卫生组织的癌症研究机构归为I类致癌物。因此，发展快速、准确、高效的黄曲霉毒素AFB1检测技术，及时发现食品安全隐患，切实保障食品安全具有重要意义。

图文导读

本工作涉及两种荧光染料，其中一种为发红光的荧光染料Cy5 (670 nm)标记在黄曲霉毒素AFB1适配体的5’端，另外一种为带有正电荷且具有水溶性的聚集诱导发光分子TPE-Z (480 nm)。在水溶液体系中，TPE-Z处于分散状态，背景荧光信号较低，TPE-Z带正电荷可通过静电吸附作用力，聚集在DNA磷酸骨架上，发出荧光信号。由于荧光共振作用，TPE-Z的荧光点亮Cy5荧光，输出双色荧光信号。将反应体系中引入氧化石墨烯(GO），由于静电作用力和π-π堆积作用力，复合物TPE-Z/Cy5核酸适配体吸附在氧化石墨烯GO表面，此时TPE-Z分子荧光被淬灭；当有黄曲霉毒素AFB1存在时，Cy5核酸适配体特异性识别靶标分子AFB1，形成二级结构，从氧化石墨烯GO表面解吸附。此时TPE-Z荧光释放，同时点亮Cy5荧光，通过监测TPE-Z和Cy5的荧光信号，实现对目标分子AFB1的高灵敏检测，相对于单一信号输出检测传感器，该双色荧光信号输出传感器检测特异性强且灵敏度高（图1）。

图1 双色荧光信号检测传感器检测黄曲霉毒素AFB1示意图。

为了验证该传感器检测黄曲霉毒素AFB1的性能，作者实施了一些列验证实验。如图2所示，氧化石墨烯GO与单链核酸分子之间通过π-π堆积作用组装成氧化石墨烯/DNA复合物，该结合作用拉近了探针上的荧光基团与氧化石墨烯表面的距离，从而导致能量转移现象的出现，最终完成了氧化石墨烯对荧光基团的淬灭效应。随着氧化石墨烯浓度的增大，TPE-Z和Cy5的荧光强度急剧下降，当石墨烯的浓度达到25 μg/mL时，大部分荧光被淬灭。

图2 双色荧光信号检测传感器对不同浓度氧化石墨烯GO(0-40 μg/ mL)的荧光响应曲线。

当体系中存在靶标分子黄曲霉毒素AFB1时，核酸适配体特异性识别黄曲霉毒素AFB1并折叠形成二级结构，与氧化石墨烯GO之间弱的结合能力，导致荧光基团TPE-Z和Cy5远离淬灭剂表面，荧光信号恢复(图3)。

图3 双色荧光信号检测传感器对黄曲霉毒素AFB1和不同反应时间荧光信号响应。

如图4所示，随着靶标分子AFB1量的增多，TPE-Z和Cy5的荧光强度也逐渐增强，在线性范围为0.005~300 ng/mL时，最低检测限可低至0.04 ng/mL，远远低于单一信号输出检测传感器，证明该双色荧光信号输出传感器具有较高检测灵敏度。

图4 双色荧光信号检测传感器检测黄曲霉毒素AFB1浓度荧光谱图和线性曲线。

食物中存在很多种真菌毒素，对检测体系具有一定的干扰作用，核酸适配体对靶标分子的特异性识别功能，对其它真菌毒素不具有或识别功能较弱。如图5所示，在有靶标分子黄曲霉毒素AFB1存在时，TPE-Z和Cy5的荧光信号大幅增强，而对其它与黄曲霉毒素AFB1结构相似且在食物种普遍存在的真菌毒素如OTA和ZEN不具有荧光信号响应功能，说明该双色荧光信号输出传感器读黄曲霉毒素AFB1具有高特异性检测功能。

图5 双色荧光信号输出检测传感器对黄曲霉毒素AFB1、赭曲霉毒素OTA和玉米赤霉素烯酮ZEN的荧光信号响应和圆二色谱图。

为了验证该双色荧光信号输出检测传感器检测黄曲霉毒素AFB1的适用性和可靠性，作者将该传感器应用于玉米、大米和大豆等食物样品中黄曲霉毒素AFB1检测。如表2所示，食物样本提取液中未检测到黄曲霉毒素AFB1，而向食物样本提取液中掺杂1.00和1.68 ng/mL的黄曲霉毒素AFB1，得到92.3%~108.7%的回收率，与商业中广泛使用的HPLC法检测结果相吻合，该统计结果说明该双色荧光信号输出检测传感器能有效的用于食物样品中黄曲霉毒素AFB1的追踪分析。

表2 双色荧光信号输出检测传感器检测食物提取液中黄曲霉毒素AFB1

a) The mean of three determinations; b) SD=standard deviation; c) no AFB1

作者简介

贾永梅（本文第一作者）

岭南师范学院副教授，主要从事荧光探针的设计及其在生物化学传感器中的应用研究。

程   勇（本文通讯作者）

美国加州大学圣地亚哥分校博士后研究员，研究方向为生命分析化学和分子影像学，主要致力于多功能性模块化多肽与核酸类荧光探针蛋白时空分辨成像和诊疗应用研究。