电化学DNA传感器制备及用于花椰菜花叶病毒35S启动子快速检测

刘亚倩　刘克勤　高娇娜　操小栋　叶永康

摘要 [目的]构建一种新型DNA电化学传感器，并用于花椰菜花叶病毒35S启动子片段检测。[方法]通过使用氨基化多壁碳纳米管对玻碳电极进行修饰，利用氨基化多壁碳纳米管对硫堇-金纳米粒子-DNA纳米复合物的吸附固定得到用于识别目标DNA的捕获界面，并将亲和素-辣根过氧化物酶修饰的金纳米粒子作为结构末端的信号分子，完成夹心结构传感器组装。试验采用循环伏安法对辣根过氧化物酶催化过氧化氢得到的还原电流进行测试。[结果]该传感器可实现对目标DNA定量检测，线性范围为1×10-18 ～1×10-11 mol/L，检测限低至6.95×10-20 mol/L，可特异性识别错配序列，并且表现出良好的重现性和稳定性。[结论]该传感器在转基因食品的检测方面有良好的应用前景。

关键词 电化学DNA生物传感；花椰菜花叶病毒35S启动子；多壁碳纳米管；硫堇；辣根过氧化物酶

中图分类号 TS207 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）17-0183-04

Abstract [Objective] The research aimed to construct a DNA electrochemical sensor to detect the Cauliflower Mosaic Virus 35S promoter（CaMV35S）. [Methods]We choosed avidinhorseradish peroxidasegold nanoparticles（AuNPsHRPSA） and thioninegold nanoparticlesDNA nanocomposite（ThiAuNPsDNA） as signal amplification molecule to construct the DNA electrochemical sensor. We used multiwalled carbon nanotubes functionalized by amino （NH3MWCNTs） as the bottom layer to immobilize ThiAuNPsDNA which could identify target DNA and AuNPsHRPSA as the terminal signal amplifying molecule. The hybridization reaction was monitored by cyclic voltammetry upon HRP as an electrochemical indicator and H2O2 as enzyme substrate. [Result] The sensor could achieve the goal of quantitative detection of tDNA and obtain a linear range from 1×10-18 mol/L to 1×10-11 mol/L with the detection limits of 6.95×10-20 mol/L（S/N=3）. The sensor also show good application prospect with good selectivity， repeatability and stability. [Conclusion] The sensing method has a good prospect in the detection of genetically modified foods.

Key words Electrochemical DNA biosensor；Cauliflower Mosaic Virus 35S promoter；Multiwalled carbon nanotubes；Thionine；Horseradish peroxidase

转基因食品随着基因工程技术的深入发展广泛进入普通大众生活，其潜在风险已引起世界各國广泛关注。目前对转基因产品进行检测的方法普遍建立在对启动子和终止子的检测上，花椰菜花叶病毒35S启动子广泛被作为检测对象[1]。电化学DNA传感器是以核酸作为分子识别元件，将目标分析物引起的电化学性质的改变转换为可检测电信号的检测方法，被广泛应用于分子生物学和生物技术研究等重要领域[2-3]。为了增强传感器的灵敏度和选择性，一些纳米材料被运用于电化学传感器的构建。多壁碳纳米管（MWCNT）的稳定性好、拉伸强度高[4]，可通过化学法对其表面进行改性使其具备特定官能团，从而固定纳米复合物、生物酶等分子。多壁碳纳米管常被用于增加活性分子的负载量与密度，是构建电化学传感器一种常用的材料[5-6]。金纳米粒子、银纳米粒子、铂纳米粒子等金属纳米粒子常被应用于电化学传感器的构建[7-11]。金纳米粒子（AuNPs）拥有巨大的比表面积、良好生物相容性和导电性，其可以通过Au-S键、Au-N键共价固定单链DNA探针，也可吸附多种金属纳米粒子、硫堇（Thi）以及辣根过氧化物酶（HRP）等物质[12-14]，因此金纳米粒子以多种方式被应用于加大探针或活性物质的负载量，从而提高电化学检测方法的灵敏度。笔者利用多壁碳纳米管和金纳米粒子制备纳米复合物材料，构建一种新型的DNA电化学传感方法对花椰菜花叶病毒35S启动子片段进行检测研究，以期为转基因食品检测提供灵敏度更高的检测方法。

1 材料与方法

1.1 主要试剂及仪器

氨基化多壁碳纳米管（NH3-MWCNTs）购自南京吉仓纳米科技有限公司；氯金酸（HAuCl4）、Thi、H2O2购自国药集团化学试剂有限公司；亲和素-辣根过氧化物酶（HRP-SA）购自斯信生物科技有限公司；乙二胺四乙酸（EDTA）、三羟甲基氨基甲烷（Tris）、三羧基乙基膦（TCEP）购自阿拉丁化学试剂有限公司。化学试剂都是分析纯级，试验用水均为超纯水。

花椰菜花叶病毒35S启动子片段及相关序列由上海生工生物科技有限公司合成，序列如下：

目标序列（tDNA）：5′-GGCTCCTACAAATGCCATCATT-3′

捕获探针（cDNA）：5′-SH-AATGATGGCA-3′

信号探针（sDNA）：5′-GTAGGAGCCAAA-Biotin-3′

单碱基错配序列（Mis-1）：5′-GGCTCCTACAAATGCGATCATT-3′

三碱基错配序列（Mis-3）：5′-GGCTCGTACAAATGCGATCTTT-3′

完全不互补序列（N-DNA）：5′-CATATACGTGGTCAGGTAGTAA-3′

试验使用CHI832D型电化学工作站，采用玻碳电极（GCE）为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极的三电极体系。

1.2 方法

1.2.1 缓冲液配制。首先配制pH 7.4的浓度为10 mmol/L Tris-HCl缓冲溶液。取100 mL Tris-HCl缓冲溶液加入0.1 mmol EDTA作为DNA储存溶液。取100 mL Tris-HCl缓冲溶液加入0.1 mmol EDTA、0.1 mmol TCEP、5 mmol NaCl作为cDNA固定缓冲液。取100 mL Tris-HCl缓冲溶液加入0.1 mmol EDTA、5 mmol NaCl作为DNA杂交缓冲液。

1.2.2 Thi-AuNPs-cDNA复合物的制备。用锥形瓶取100 mL氯金酸溶液（0.01%）于磁力加热搅拌器上加热至沸腾，持续搅拌加热并加入1.4 mL柠檬酸钠（1%），观察溶液颜色由浅黄色变为酒红色，停止加热得到AuNPs溶液。

取100 μL Thi溶液（0.01 mmol/L）与1 mL AuNPs溶液混合，振荡30 min。另取10 μL cDNA（10 μmol/L），10 μL Tris-HCl（50 mmol/L，pH 8.2）缓冲溶液和10 μL TCEP溶液（10 mmol/L）混合均匀并静置1 h。将这2种溶液充分混合后在37 ℃下温育16 h，随后13 000 r/min下离心水洗3次，用PBS缓冲液（pH 7.4）定容至1 mL，得到Thi-AuNPs-cDNA纳米复合物[15]。

1.2.3 AuNPs-HRP-SA制备。取1 mL制备好的AuNPs溶液于离心管中，10 000 r/min下离心10 min，弃去上清液，用PBS（pH 7.4）缓冲液重新定容至300 μL，完成AuNPs溶液的浓缩，加入20 μL SA-HRP（0.1 mg/mL）溶液，4 ℃振荡24 h，之后8 000 r/min下离心15 min，离心水洗3次后用缓冲液定容，4 ℃条件下储存备用。

1.2.4 玻碳电极的处理及传感器组装。首先将直径为3 mm的GCE电极依次用粒径1.00、0.30和0.05 μm 的Al2O3粉末抛光，用1∶1的硝酸水溶液、乙醇和超纯水超声清洗干净，以含0.1 mol/L KCl的5 mmol/L铁氰化钾溶液为底液，采用循环伏安法（CV）在-0.2～0.6 V对电极进行多次检测，直到得到电压差小于80 mV的氧化还原峰，随后用超纯水清洗，N2吹干。

将NH3-MWCNTs粉末溶于10 mg/mL壳聚糖溶液中超声2 h，得到1 mg/mL均匀的NH3-MWCNTs溶液。传感器组装过程如图1所示，首先将NH3-MWCNTs溶液5 μL滴加到GCE表面，放置干燥后继续滴加5 μL Thi-AuNPs-cDNA复合物，1 h后用0.1% SDS溶液和Tris-HCl缓冲液洗涤电极表面，得到Thi-AuNPs-cDNA /NH3-WMCNTs /GCE电极，将得到的电极先后在tDNA溶液和sDNA溶液（1×10-9 mol/L）中37 ℃温育一段时间，随后用Tris-HCl溶液和SDS溶液（0.1%）分别洗涤5 min，以除去非特异杂交的DNA，之后滴加5 μL AuNPs-HRP-SA复合物，30 min后用Tris-HCl缓冲溶液和超纯水洗涤并吹干，得到AuNPs-HRP-SA/sDNA-tDNA/Thi-AuNPs-cDNA/NH3-WMCNTs/GCE用于電化学测试。

1.2.5 电化学测试方法。采用循环伏安法（CV）检测，底液为包含1.5 mmol/L H2O2的PBS缓冲溶液（pH 7.4），CV扫描范围为-1.0～0 V，扫描速率为50 mV/s。

2 结果与分析

2.1 Thi-AuNPs-DNA复合物的紫外-可见光谱表征

Thi-AuNPs-cDNA及相关复合物的紫外光谱表征如图2所示，Thi（曲线a）出现2个特征吸收峰，分别位于283和598 nm，归因于Thi芳香族的π-π*和C=N键的n→π*跃迁[15]。AuNPs（曲线b）最大吸收峰出现在532 nm，这是AuNPs的典型吸收峰[12]。Thi-AuNPs-cDNA（曲线d）出现3个吸收峰，其中283、601 nm出现的吸收峰与Thi相关，而与Thi-AuNPs（曲线c）相比，540～565 nm出现强峰值波长，金纳米粒子吸收峰从532 nm移至561 nm，这是由于cDNA与AuNPs自组装导致的，表明Thi-AuNPs-cDNA复合物成功制备。

2.2 传感器组装电化学表征

在铁氰化钾溶液中对电极组装过程进行CV分析，结果如图3所示。裸电极（曲线a）有一对弱铁的氧化还原峰，当电极表面修饰NH3-MWCNTs之后（曲线b），氧化还原峰电流明显增大，证明NH3-MWCNTs充分提高了电极导电性，加速电子转移。用Thi-AuNPs-cDNA复合物修饰电极后，在-0.15～0.28 V出现一对明显的非对称氧化还原峰（曲线c），电信号显著增强，这是因为复合物中Thi和AuNPs增强了电极电子传递能力，表明Thi-AuNPs-cDNA复合物成功通过Au-N键作用吸附到NH3-MWCNTs修饰GCE电极表面。随着温育tDNA和sDNA（曲线d和e）后，CV响应电流明显下降，这是由于DNA磷酸骨架所带的负电荷阻碍了电子传输，证明通过DNA碱基互补作用，tDNA和sDNA成功组装到电极上，夹心结构形成。

2.3 试验条件优化

为了获得试验的最佳条件，分别对底液pH、底液H2O2浓度、tDNA的温育时间、sDNA的温育时间进行优化。底液pH影响HRP的活性，在tDNA浓度为1×10-12 mol/L，tDNA和sDNA溫育时间均为90 min时，在pH不同的底液条件下，对组装电极AuNPs-HRP-SA/sDNA-tDNA/Thi-AuNPs-cDNA/NH3-MWCNTs/GCE进行CV表征，如图4a所示。当pH为6.6～7.4时CV的还原峰电流逐渐增高，并在pH 7.4达到最高，之后峰电流逐渐降低，证明pH为7.4反应体系的催化效果最好，因此选用pH为7.4的PBS缓冲溶液。

H2O2是HRP的反应底物，其浓度大小影响催化电流的大小，对H2O2浓度进行优化的结果如图4b所示。当H2O2浓度达到1.5 mmol/L时，还原峰电流达到最大，并在之后基本保持恒定，因此选择1.5 mmol/L作为底液H2O2浓度。

tDNA温育时间、sDNA温育时间的长短影响固定在电极表面的tDNA和sDNA的数量，进而会影响AuNPs-HRP-SA的结合数量，最终影响峰电流的大小，因此在温育温度为37 ℃条件下分别对tDNA和sDNA的温育时间进行改变，并最终在含1.5 mmol/L H2O2的PBS缓冲液（pH 7.4）进行CV测试，结果如图4c～d所示。tDNA和sDNA温育时间延长过程中还原峰电流不断增强，并且分别在温育时间90和60 min时电流达到峰值，表明这时电极捕获的探针数量饱和，因此选择tDNA杂交时间为90 min、sDNA杂交时间为60 min来构建DNA传感器。

2.4 电化学循环伏安法检测目标DNA

当不同浓度tDNA与cDNA杂交后电极结合的HRP的数量会发生改变，进而会影响反应电流的大小，采用CV法对不同浓度的tDNA在优化后的最佳反应条件下进行检测，结果如图5所示，峰电流随着目标序列tDNA浓度的增加而增大，峰电流与tDNA浓度呈现正相关，校准曲线（图6）显示了峰电流和分析物浓度的对数之间有着良好线性关系，在tDNA浓度1×10-18～1×10-15和1×10-15～1×10-11 mol/L分别获得了标准曲线，线性回归方程分别为I= 0.146 logC+ 2.93（R2=0.990）、I=0.080 logC+ 1.91（R2= 0.983），在信噪比为3时，检测限为6.95×10-20 mol/L。

2.5 传感器的选择性、重现性和稳定性

为了研究该DNA生物传感器对tDNA识别选择性能，对1×10-12 mol/L的tDNA、Mis-1、Mis-3、N-DNA 这4种DNA序列分别进行检测。N-DNA的电流值与空白对照相近，Mis-1、Mis-3的峰电流值与tDNA相比下降了21.9%和66.4%，结果表明，与完全互补的tDNA序列相比，错配碱基序列与捕获探针的杂交效率降低显著，因此得出该传感方法有高选择性。

试验对该电化学DNA传感器的重现性和稳定性进行了研究，使用3根不同的GCE电极在tDNA浓度为1×10-12 mol/L条件下制备传感器，对AuNPs-HRP-SA/sDNA-tDNA/Thi-AuNPs-cDNA/ NH3-MWCNTs/GCE组装电极进行CV法测试，得到3根电极的电信号之间相对标准偏差（RSD）为6.1%，表明该传感方法可进行重复，且重复性好。为了研究传感方法的稳定性，将3根组装完成的电极在4 ℃条件下放置7 d后进行检测，得到的响应信号保持了原信号的96%，因

3 结论

该研究成功构建了以NH3-WMCNTs为底层，Thi-AuNPs-cDNA纳米复合物及AuNPs-HRP-SA复合物为信号放大分子的新型组合模式DNA传感器，基于HRP对H2O2的催化还原实现特异识别并检测花椰菜花叶病毒35S启动子DNA序列，通过对试验条件的优化，在最佳试验条件下，检测限低至6.95×10-20 mol/L。该电化学传感器简便、灵敏度高、重现性及稳定性好，在检测转基因产品方面具有很好的应用潜力。

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