2015年食品安全分析与检测实验室高端文章简介

 

1. 目标物诱发纳米酶反应器增敏分体式光电化学免疫传感器的研究:光电化学传感技术脱胎于传统电分析化学,由于激发能量和检测信号分属两种不同的能量形式,因此具有更高的灵敏度。但是由于分析过程中需使用宽波段光源辐射传感界面,容易造成生物探针的损伤,影响分析方法的稳定性。为了解决这一瓶颈问题,我们提出一种新型的分体式光电化学免疫检测模式,将免疫识别步骤和信号读出步骤分解,有效地避免了光源对抗体和免疫复合物系统的辐射。此外,为了弥补分体检测模式灵敏度的不足,我们利用滚换扩增 (RCA) 的长链产物与碱性磷酸酶进行自组装形成纳米酶反应器,通过酶促电子供体生成的方法实现光电流信号的有效放大。该方法不仅成功地应用于前列腺癌特异抗原 (PSA) 的灵敏、高通量检测,还能够兼容于竞争免疫分析模式,实现对小分子毒素 (黄曲霉毒素,Aflatoxin B1) 的有效监测。其研究成果发表在Anal. Chem., 2015, 87, 9473-9480 上。

2. 基于酶水解产物诱导替代反应模式高灵敏电化学免疫分析方法研究:在传统的酶免疫分析模式中,通常是将酶催化的产物作为可检测信号的来源,实现对目标分析物高灵敏检测。但是对于一些非信号来源的产物,就无法实现准确定量目标分析的浓度。本研究工作就借助于刀豆蛋白A与葡萄糖、右旋糖苷存在不同的亲和力,建立了一种基于蔗糖酶作为标记竞争型免疫分析模式,实现对黄曲霉毒素 (Aflatoxin B1)替代类型的电化学免疫分析方法。该方法将黄曲霉毒素抗体/刀豆蛋白A标记在辣根过氧化物酶-硫瑾功能化的多孔二氧化硅表面,利用刀豆蛋白A与右旋糖苷的相互作用固定在石墨烯功能化的玻碳电极上,结合纳米金标记的蔗糖酶/黄曲霉毒素-BSA交联体与目标分析物和抗体之间的竞争免疫分析反应,形成抗原-抗体免疫复合物。伴随着纳米金颗粒标记的蔗糖酶实现对检测溶液中支蔗糖水解,产生的葡萄糖于是就和固定在电极上的右旋糖苷对刀豆蛋白A产生竞争反应,从而电活性多孔硅从电极上置换下来,导致电化学信号的降低。该信号的变化与样品中黄曲霉毒素的浓度成正比,实现对目标分析物高灵敏检测。其相关研究工作发表在Anal. Chem., 2015, 87, 8531-8540。

3. 基于核壳纳米结构增强的目标物诱导纳米催化剂的钝化用于超灵敏顶空比色分析溶解的硫化氢:针对硫化氢(H2S)的比色分析平台已经开发了100多年,但是其中大多数的方法还是因灵敏度太低而限制了其应用范围。于此,我们合理地设计了一种H2S诱导(金核)@(超薄的铂壳)纳米催化剂(Au@TPt-NCs)的钝化作为一种高效的信号放大方法用于超灵敏检测溶解的H2S。当目标物H2S引入到分析体系中,Au@TPt-NCs会因吸附H2S而中毒钝化;其钝化程度随着H2S浓度增加而增加,而且可以通过Au@TPt-NCs促发的催化显色体系来识别,从而实现H2S的比色传感。我们通过联合实验研究和密度泛函理论研究表明具有两个单原子层铂壳的Au@TPt-NCs由于独特的协同作用而具有高效的类过氧化物酶活性和钝化效率,从而展现出最佳的信号放大效果。实验结果还表明,在最佳条件下,该比色分析方法的信号与H2S浓度呈线性关系,线性范围为10−100 nM,检出限为7.5 nM。由于高灵敏、高选择性、简单、低耗、和可视化检出等众多优势,该方法可以用于开发高效的比色试剂盒实现便携式快速检测,对于推进新型比色型器件用于落后/资源受限地区的检测具有重大的意义。相关研究成果发表在Anal. Chem. 2015, 87, 10153−10160上。

4. 在电致发光功能化有机框架材料合成及高灵敏汞离子传感应用取得进展:合成一种新颖的联吡啶钌(II)功能化的 MOFs 材料(RuMOFs),这种 MOFs 材料能够通过离子响应发生解离并释放装载在其中的客体分子。RuMOFs 在含有 H+ 和多种金属离子的水溶液中表现出非常好的稳定性,但它会灵敏且特异性地被 Hg2+ 诱导解离,从而释放出大量的 Ru(bpy)32+。基于RuMOFs对汞离子的响应建立了一种超灵敏检测 Hg2+ 的电化学发光传感方法(检测限0.5pM),并可应用于实际检测。研究成果发表在美国分析化学(Anal. Chem. 2015, 87, 4864-4870)上。

5. 在纳米氮化碳电致发光在逻辑门研究和蛋白酶与核酸酶传感应用方面取得进展:将性能稳定、成膜性好、生物兼容性良好、具有良好电致化学发光活性的纳米金杂化的氮化碳纳米片作为传感界面, 并通过正负聚电解质与DNA及聚赖氨酸在静电作用下层层组装成能同时识别蛋白酶与核酸酶的逻辑门。这种逻辑门传感器具有灵敏度高、选择性好、免标记、操作简单等优点,在临床医学上与蛋白酶与核酸活性有关的癌症、中风、感染等疾病诊断方面有较好的应用前景。研究成果发表在美国分析化学(Anal. Chem., 2015, 87, 8851-8857)上。

 

6. 基于表面增强Ru@SiO2的电化学发光超灵敏检测癌胚抗原的研究:提出了一种基于局域表面等离子共振 (LSPR)增强Ru(bpy)32+ 的电化学发光 (ECL) 实现超灵敏检测人体血清中的CEA的新方法。在表面增强ECL (SEECL) 原理中,以掺杂有Ru(bpy)32+的SiO2复合纳米粒子(Ru@SiO2)为ECL发光物质,以金纳米粒子 (AuNP) 作为LSPR发生源用以增强ECL信号。分别将两种不同的CEA特异性适配体修饰到Ru@SiO2和AuNP的表面。当有CEA存在时,会在电极表面形成多层的Ru@SiO2-AuNP纳米结构。实验结果表明,AuNP的LSPR作用会有效地提高Ru(bpy)32+的ECL信号。与单一的Ru@SiO2纳米结构层相比,单层Ru@SiO2-AuNP纳米结构可以实现ECL信号的3倍增强,而多层Ru@SiO2-AuNP纳米结构则使ECL信号达到30倍的增强效果。优化条件后,利用该SEECL传感器可以测得的CEA最低检测浓度为5×10-6 ng/mL,这是目前为止所报道的利用ECL传感器检测CEA可达到的最低的检测浓度。研究成果发表在美国分析化学(Anal. Chem., 2015, 87, 5966-5972)上。

 

7. 基于ITO的免电极修饰的DNA电化学传感器的研究:电化学DNA传感器由于具有仪器简便、灵敏度高等特点,近年来受到极大的关注,适用于多种目标物(如蛋白质、生物分子、金属离子等)的检测。目前大多数的电化学DNA传感器需要在电极表面固定识别元素,这个过程特别繁琐且耗时,而且目标物的作用是在电极表面的附近的固液界面上进行,效率比较低。为了解决这一问题,我们利用DNA链带负电荷,其与ITO电极表面所带负电荷直接可以产生排斥力。利用由长链DNA、由核酸内切酶切割产生的短链DNA和带负电的ITO电极表面之间的排斥力的不同,来对目标DNA进行定性和定量分析,该传感器的选择性特别好,能区分单碱基错配序列,可以用于单核苷酸的多态性研究。该方法已经应用于口腔癌特异性DNA片段的检测。相关工作发表在Analytical Chemistry, 2015, 87, 9204-9208上。

 

8. 基于靶标调控“stop-flow”水凝胶集成纸芯片微流控的多靶标检测:21世纪是科技腾飞的时代,传统的分析技术不断的变革创新,分析设备正在逐渐走向微型化、集成化和便携化。其中,纸芯片微流控(Paper based microfluidics)作为微流控芯片中的最新发展领域,由Whitesides组在2007年首次提出并引起业界的广泛关注。纸芯片具备设备成本低廉,毛细作用自驱动,便携且易加工,生物兼容性好,环保易降解等优异特性。利用纸芯片微流控技术集成DNA水凝胶可实现靶标调控的“stop-flow”反应并用于多靶标样品的同时检测。首先合成丙烯酰胺聚合DNA链P-SA和P-SB,使之能与含有核酸适体的Linker-DNA链互补配对。在没有靶标的情况下,样品液会溶解原本填充在纸芯片内部的P-SA,P-SB和linker链,形成不具有流动性能的水凝胶,出现溶液滞留,无显色响应;反之,在靶标存在的情况下,靶标会优先与linker链反应,使得水凝胶不能稳定形成,保持样品流动直至信号响应区被染色,出现显色信号。通过建立信号响应区的颜色变化和靶标之间的关系,实现对不同靶标的定性检测。而集成不同的DNA水凝胶于四通路的纸芯片中,可以实现对多靶标的同时检测。最终,在纸芯片上实现Pb2+,cocaine和adenosine三靶标的定性分析检测,建立了一个普适性的纸芯片检测平台。相关工作发表在Analytical Chemistry, 2015, 87, 4275-4282上。

 

9. 基于点击化学的焦磷酸酶荧光传感器的构建及应用研究:构建了一种基于点击化学反应的检测焦磷酸酶的荧光传感器,焦磷酸与Cu(II)形成络合物,抗坏血酸钠不能够还原络合的Cu(II)为Cu(I)作为催化剂,从而无法催化叠氮香豆素和丙炔醇之间的1,3-偶极环加成反应,从而体系的荧光强度很低;但是在体系中同时加入焦磷酸酶的情况下,焦磷酸酶能够水解焦磷酸抑制Cu(II)络合物的形成,点击化学反应能够继续发生,体系的荧光强度大幅争强且荧光强度与加入的焦磷酸酶的量存在线性关系。该传感器成功地应用于焦磷酸酶抑制剂氟化钠的检测,该传感器具有操作简单、成本低、灵敏度高、特异性好等优点。相关工作见Analytical Chemistry, 2015, 87, 816-820。

 

10. 在SALDI-MS基质的开发及小分子分析应用方面取得系列研究进展 :

(a) 前期工作基础上(J. Mater. Chem. B, 2014, 2, 6207-6214.),他们采用简单的一锅法合成了一系列MFe2O4(M=Co、Ni、Cu、Zn)磁性纳米晶簇。所制备的MFe2O4 纳米材料具有极佳的均一性、分散性和紫外/可见光吸收能力,可作为SALDI基质用于小分子分析。研究表明,在负离子模式下,MFe2O4基质的背景信号干净,可实现氨基酸、碱基、脂肪酸以及短链多肽的高灵敏度检测。良好的耐盐性和重现性(RSD≤12.8%,n=10)使得SALDI-MS定量检测尿样中痕量的睾酮激素成为可能,检测限达到0.1pmol。此外,还系统探讨和比较了由不同过渡金属组成的MFe2O4基质对质谱信号强弱的影响,成果发表在Analyst, 2015,140, 5287-5294上。

 

(b) 磁性沸石型咪唑骨架结构(Fe3O4@ZIF-8)纳米材料因具有独特的孔特性和磁效应,常被广泛应用于复杂生物样品前处理的研究。在前期工作基础上(J. Mater. Chem. B, 2015, 3, 2185-2191.),他们采用简单的室温合成方法制备了 Fe3O4@ZIF-8微球。所制得的微球具有核壳形貌好、分散性好、比表面积大、亲和作用力强及磁响应性高等优点。该基质对紫外光有强的吸收,保证较好的电离效率;与传统基质相比,该基质在低分子量范围内(< 500 Da)无背景干扰,可以高灵敏地分析氨基酸、多肽、脂肪酸、激素、双酚A等各类小分子。利用该基质,对人血清和尿样中的褪黑素进行了定量分析。此外,利用Fe3O4@ZIF-8对组氨酸的亲和作用,本文还建立集富集和电离于一体的SALDI-MS分析方法,检测限达0.05pmol,该技术有望在肽组学和代谢组学研究中得到广泛应用,发表在Chem. Commun., 2015, 51, 8785-8788上。

 

(c) 石墨相氮化碳(g-C3N4)因其具有独特的电子结构、优异的化学稳定性和光学特性,近年来在催化和分析化学等领域得到广泛的关注。通过研究,发现通过液相剥离制得的g-C3N4纳米片可以用作新型SALDI基质,而其在低质量范围内较低的背景信号不会干扰小分子的分析。进一步的研究发现,g-C3N4基质可以同时在正负离子两种质谱模式下工作,而且g-C3N4优良的水相分散性和电子特性使其与传统有机基质、石墨烯基质相比具有更高的灵敏度。利用该基质,实现了氨基酸、寡肽、环境污染物(双酚类、硝基多环芳烃)等小分子的SALDI-MS分析。利用外标定量方法,还成功实现了环境污染水中硝基多环芳烃的定量分析,具有潜在的应用价值, 成果发表在Anal. Chem., 2015, 87, 8005-8012.

  

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