使用电化学适体传感器检测铅离子

文件类型:原始研究文章

作者

伊斯兰阿扎德大学鲁德亨分校工程学院冶金与材料工程系,伊朗鲁德亨

抽象

这项研究的目的是基于适体(Apt)的互补链(CS)的发夹结构,开发一种用于检测Pb2 +的简单,选择性和灵敏的适体传感器。丝网印刷的碳电极(SPCE)由金纳米粒子电沉积,用作固定Apt-CS的底物。此外,添加了金纳米颗粒(AuNPs)和硫氨酸以增加适体传感器的灵敏度。使用扫描电子显微镜(SEM)研究了SPCE和AuNPs修饰的SPCE的形态。 SEM结果表明,AuNPs在SPCE表面均匀分布。通过循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)测量来评估适体传感器的电化学性能。电化学结果表明,在Pb2 +存在下,由于CS的发夹结构形成而导致的峰值电流降低。然而,在不存在Pb2 +的情况下,由于硫氨酸/ AuNPs-CS的结合,峰值电流得到了增强。设计的适体传感器显示出对Pb2 +的高选择性,宽线性范围(1-40 nM),低检测限(374 pM),可接受的重现性和良好的长期稳定性。

关键词


介绍

由于在汽车,石油和油漆等不同工业中广泛使用铅金属,因此对环境中铅离子的检测和监测已成为当今世界关注的问题[1、2]。由于铅离子(Pb2+)是不可生物降解的,即使在微量的情况下也可能导致对人类健康的有害影响,例如神经过敏,记忆力减退,肌肉麻痹和贫血[3]。根据疾病预防控制中心的资料,铅的最大允许浓度2+ in the blood is 10 µg dL-1 [4].

鉴于铅的不利影响2+ 关于人类健康,需要开发简单,精确,方便,可靠和灵敏的方法,以在不同环境中检测该元素[5]。铅最常用的技术 2+ 监测包括比色,荧光和电化学。尽管这些方法在测定Pb方面表现出良好的性能2+,他们无法在痕量水平上进行准确的分析[6,7]。为了克服这个问题,电化学纳米生物传感器由于其高灵敏度,高性价比,快速响应和易于读取数据而被开发出来[8-10]。

最近,使用DNA来检测 金属离子,因为其良好的稳定性,在水溶液中的高溶解度以及对 一些金属离子已经增加[11]。主要通过SELEX(通过指数富集进行配体的系统进化)过程选择的适体,可以使用类似的方法识别金属离子 抗体方法[12]。适体通过氢键,范德华力和疏水性积累与金属离子相互作用,并形成特定的结构[13]。例如,富含鸟嘌呤(G) 用于识别Pb的寡核苷酸适体2+ 在存在铅离子的情况下被转化为G-四链体结构[14]。

由于特殊的物理化学性质,纳米颗粒可用于化学和生物检测。在用于生物传感器的不同纳米颗粒中,AuNP由于其高活性和表面体积比而受到越来越多的关注。这些特征可以为固定大量生物分子提供反应位点,从而保留其生物活性[15,16]。例如,Liu和Lu生产了一种基于DNA酶指导的AuNPs组装的比色生物传感器,用于检测铅[17]。

在此研究中,铅的电化学适体传感器2+ 基于AuNPs和适体的优点,已经制备了检测技术。为此,先用AuNPs修饰Pb丝网印刷碳电极,然后再用Pb修饰。2+ 互补链(CS)原为 固定在AuNPs上。接下来,铅2+ 将适体添加到SPCE的表面上以与CSDNA杂交。之后,进行电化学循环伏安法检测铅+2 离子。最后,将适体传感器的线性范围和检测限与其他检测方法进行了比较。

实验性

试剂和材料

+2 aptamer (5’-GGGTGGGTGGGTGG-GT-3’)及其互补链(5’-硫醇-GAGGACCCACCCACCCACCCTCCTCAA-硫醇-3’)购自Thermo Fisher Scientific. 四胆金酸氢盐(HAuCl4 ),  磷酸氢二钠(Na2 高压氧 4),磷酸二氢钾(KH2 PO 4),氯化钾(KCl),氯化钠(NaCl),亚铁氰化钾(K4 [Fe(CN) 6]),铁氰化钾(K3 [Fe(CN) 6]),三(2-羧乙基)膦盐酸盐(TCEP),6-巯基己醇(MCH)和硫氨酸购自Sigma-Aldrich。

适体传感器的制造工艺

AuNPs-SPCE的制备

将DropSens获得的丝网印刷碳电极(SPCE)浸入5 mM HAuCl中含0.1 M H2 所以 溶液作为电解质。应当注意,SPCE包含Pt电极作为辅助电极,Ag / AgCl电极作为参考电极和碳电极作为工作电极。金纳米颗粒的电沉积在相对于Ag / AgCl的-0.4 V恒定电势下进行60秒。

将Apt-CS固定在AuNPs-SPCE上

CSDNA(10 µL, 2.0 µM)被固定在AuNPs-SPCE的表面上60分钟。那5 µL 将1mM的MCH溶液滴在工作电极的表面上,以阻塞SPCE的剩余部位。接下来,铅2+ 适体溶液(10µL, 2.0 µM)被添加到SPCE表面上并孵育60分钟以与CSDNA杂交。

制备水悬浮的AuNPs

首先使用经典还原HAuCl合成AuNP4 根据先前公布的程序[18],由柠檬酸盐制成。然后将制备的AuNPs溶液在15000 g下于4离心30分钟°C.

AuNPs-SPCE的表征

通过配备有能量色散X射线光谱仪(EDS)的Vega Tescan扫描电子显微镜(SEM)评估了从DropSens获得的电沉积在SPCE上的AuNPs的形态。

研发的适体传感器的电化学评估

使用循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)测量研究了制造的适体传感器与铅离子的相互作用。所有电化学实验均在2 mM K下进行4 [Fe(CN) 6 ]和K 3 [Fe(CN) 6含有0.1 M KCl的](氧化还原探针)溶液,使用 μStat 具有三个电极系统SPCE的400恒电位仪/恒电流仪(DropSens,西班牙)。在测量之前,逐步进行以下处理:

10 μl of Pb2+ 首先在室温下将(40 nM)(40 nM)倒入修饰电极上60分钟。然后将修饰的电极与10  μl AuNPs(5 nM)持续120分钟。接下来,将0.5mM的硫氨酸溶液引入改性电极的表面上15分钟。在该过程的每个步骤之后,用超纯水冲洗改性电极的表面。

电化学适体传感器的选择性

在包括Pb在内的各种阳离子的存在下研究了开发的适体传感器的选择性2+2+2+ ,铜  2+ and Ni2+.

结果与讨论

Au-SPCE的SEM分析

图1显示了电沉积AuNPs之前和之后SPCE的表面形态。如图所示,裸露的SPCE的显微照片显示出不均匀且不均匀的结构。电沉积后,表明AuNPs在SPCE的表面上均匀分布(图1b)。此外,SPCE的EDX分析表明存在电沉积的金纳米颗粒(图1c)。

循环伏安法测量

在这项研究中,进行CV测量以评估所制备适体传感器的形成和性能。如图2所示,裸碳电极显示出Fe [(CN)的最小氧化还原峰值电流6] -3/-4。在SPCE表面上电沉积AuNPs后,峰值电流显着增加。这可能与AuNPs的大表面积/体积比有关,这可能会大大增强信号并增强电子转移。当互补链DNA吸附在修饰电极的表面上时,峰值电流降低。这可以归因于互补链的带负电荷的磷酸骨架,从而导致对[Fe(CN)6]3-/4- 并阻止了电子转移[19]。加入铅后峰值电流进一步降低2+ 适体,证明了Apt和CS的杂交。

通过添加AuNPs增强了峰值电流,表明捕获了AuNPs。添加硫氨酸后,峰值电流进一步增加,说明了将硫氨酸固定在捕获的AuNPs上。

还显示了当Apt-CS电极与铅一起孵育时峰值电流增加2+。这是因为适体从互补链释放并形成Apt /靶标组合。该物质导致氧化还原物质更多地进入电极表面。添加硫氨酸-AuNP后,未观察到峰值电流的明显变化。这可能是由于互补链的发夹结构的形成,因此没有DNA功能化的硫氨酸-AuNP。

铅适体传感器的分析性能2+

使用DPV技术获得的Apt-CS修饰电极在不同Pb浓度下的峰值电流2+ 如图3所示。在峰值电流和Pb之间显示出良好的线性相关性。2+ 浓度范围为1-40 nM。根据信噪比(S / N = 3)计算得出的检测下限(LOD)为374 pM。铅的性能比较2+ 表1列出了不同生物传感器中的检测限。可以观察到,铅的检出限2+ 在这项研究中相对优于以前的报道。

研发的atpasensor的选择性,重现性和稳定性

选择性是评估适体传感器性能的重要因素。为了研究适体传感器的选择性,在相同条件下评估了几种常见离子的峰值电流。如图4所示,在Ni存在下,没有观察到峰值电流的明显变化。2+ , Cu 2+2+ and Zn2+ 峰值电流随着Pb的增加而显着增加2+ was added.

在相同的实验条件下,使用5个Apt-CS修饰电极评估了适体传感器的重现性。结果表明,适体传感器具有良好的重现性,相对标准偏差为2.8%(图5)。

aptasensor的长期稳定性研究了两周。将适体传感器存放在冰箱中后(4°C)持续两周,测量峰值电流。峰值电流没有明显变化(低于5%),表明该适体传感器具有长期稳定性。

结论

在这项研究中,开发了一种新型的电化学适体传感器,用于选择性和灵敏地检测Pb2+。进行CV和DPV来研究适体传感器的分析性能。结果表明,适体传感器具有高选择性,低检测限(374 pM),宽线性范围(1-40 nM),良好的重现性和长期稳定性。因此,适体传感器有望用于检测铅2+.

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

 

 
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