基于抑制葡萄糖氧化酶活性快速檢測重金屬離子的研究

孫 璐，遲德富*，宇 佳，關樺楠

(1.東北林業大學生命科學院，中國哈爾濱 150040;2.哈爾濱商業大學食品工程學院，中國 哈爾濱 150076)

近年來重金屬中毒的事件頻繁發生，重金屬離子檢測顯得越來越重要.檢測重金屬離子的方法主要有原子吸收光譜法［1］、原子熒光光譜法［2］、陽極溶出伏安法［3］等，但傳統的重金屬檢測方法存在著待檢測樣品前處理復雜、儀器費用高等缺陷，在實際應用中不能廣泛普及.因此，尋求一種操作簡單、靈敏度高的重金屬離子快速檢測技術具有重大的意義［4］.基于酶抑制作用并利用分光光度法檢測食品及環境中重金屬殘留已逐漸興起，此方法簡單方便、快速靈敏，并且檢測樣品及使用藥品的用量少，對各種重金屬元素的檢測具有相對較好的普遍性.

葡萄糖氧化酶(glucose oxidase，GOD)具有較好的催化特性，已經在許多領域廣泛應用，如食品、醫藥、化學等［5］.重金屬離子作用于葡萄糖氧化酶的活性中心，對其活性中心具有極強的親和力，較多含量的重金屬離子會使葡萄糖氧化酶迅速失去活性，導致酶活力下降.同時，重金屬對酶具有抑制效應，當重金屬在生物體內沉積后，對生物體具有毒性，利用酶抑制法還能對受污染環境中的重金屬離子的生物毒性進行風險評估［6］.相關文獻中提到在反應底物中添加指示劑如2，4-二氯苯酚［7］、靛藍胭脂紅等，當底物與重金屬發生反應時，會使底物中指示劑的顏色、吸光度等發生變化，通過檢測其被轉換的信號或用肉眼即可區分酶活性的變化.本研究基于重金屬離子對酶的抑制作用，在其他研究的基礎上，考察葡萄糖氧化酶對重金屬Pb2+、Cu2+、Ag+離子的檢測性能，優化反應體系，嘗試擬合出一種快速檢測這3種重金屬離子的數學檢測模型［8］.為今后的實際應用提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 主要儀器與試劑

主要儀器:TU-1900雙光束紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器);DZKW-122電熱恒溫水浴鍋(北京市永光明醫療儀器廠);PHS-3C型pH計(上海精密科學儀器設備有限公司);電子天平、微量移液器等.

試劑:0.2 mol/L葡萄糖(沈陽東興試劑廠);靛藍胭脂紅(天津科密歐)［9］;0.2 mol/L乙酸-乙酸鈉緩沖液(pH=5.2);乙酸緩沖液(pH=2.55)［10］;葡萄糖氧化酶(EC 1.1.3.4，來源于 Bomei公司);3 種重金屬標準液:Pb2+標準液:10 μmol/L，根據乙酸鉛的分子量用乙酸緩沖液配制(pH=2.55);Cu2+標準液:10 μmol/L，根據硫酸銅的分子量用乙酸緩沖液配制(pH=2.55);Ag+標準液:10 μmol/L，根據硝酸銀的分子量用乙酸緩沖液配制(pH=2.55);去離子水;其他試劑均為分析純或生物純等.

1.2 實驗方法

酶液和葡萄糖溶液置于37℃水浴，將等量的酶液和重金屬離子標準液混勻，調整pH后分別置于不同溫度條件下(4℃、室溫21℃、30℃、35℃、40℃、45℃和50℃)15 min.另取2 mL溫熱的葡萄糖溶液(0.2 mol·L－1)和2 mL在不同溫度條件下的反應液37℃反應10 min后，迅速冰浴，同時另取離心管分別加入3 mL乙酸-乙酸鈉緩沖溶液、1.3 mL的靛藍胭脂紅溶液(1.0×10－3mol/L)、1 mL的冰浴反應液，稀釋至25 mL，沸水浴13 min后，流水沖洗冷卻5 min.打開雙光束紫外可見分光光度計，設定參數，在615 nm處，去離子水作參比，分別記錄測定的吸光度值.對照組以2 mL乙酸緩沖液(pH=2.55)代替，以上步驟重復3次.

按溫度、pH、反應時間的順序，在確定最適溫度后分別進行不同 pH(1～7)、反應時間(5、10、15、20、25、30 min)條件的優化，最后以最適反應條件，考察葡萄糖氧化酶檢測3種重金屬離子的性能［11］.以吸光度變化值為縱坐標，以重金屬離子濃度為橫坐標，繪制標準曲線.確定抑制方程、檢出限等技術指標，并利用方差分析確定各指標的顯著性.

2 結果與討論

2.1 實驗原理

由于葡萄糖氧化酶是一種含有兩個黃素腺嘌呤二核苷酸分子的蛋白，能將葡萄糖轉化為葡萄糖酸并產生H2O2.H2O2具有氧化性，在一定條件下，能夠使添加的指示劑靛藍胭脂紅發生褪色反應，在一定范圍內，可利用分光光度計測定的吸光度來確定產生H2O2的量［12］.而重金屬離子又會結合在葡萄糖氧化酶的活性中心，對其活性中心具有極強的親和力，使葡萄糖氧化酶迅速失去活性，從而導致酶活力下降.從吸光度的變化即可判斷酶活性受抑制的程度［13］.測得吸光度的變化值ΔA(實驗組吸光度值A1與對照組吸光度值A0的差值).以變化值ΔA為縱坐標，反應溫度、pH、反應時間分別為橫坐標，繪制曲線.

2.2 最適反應溫度的選擇

采用在pH為3、反應時間為10 min的條件下，設定不同溫度梯度進行實驗，結果如圖1所示.由圖1可見，通過與對照(CK線)進行比較，Pb2+在4℃ ～40℃，隨著溫度的升高，吸光度差值變化不明顯，只有很小的波動;40℃～45℃，隨溫度的升高，吸光度差值突然明顯增加，抑制程度升高，切線的斜率最大;45℃時，差值最大，說明此時反應重金屬離子抑制葡萄糖氧化酶的程度最大，使靛藍胭脂紅褪色的程度最低;之后隨著溫度的繼續升高，吸光度差值又迅速降低.因此，在所選擇的的溫度梯度范圍內，選擇45℃為Pb2+對葡萄糖氧化酶抑制反應的最適保溫溫度.同理，Cu2+、Ag+的最適溫度分別選擇室溫21℃和40℃.

通過對溫度條件的對比，可以看到Cu2+與葡萄糖氧化酶作用，隨著保溫溫度的升高，吸光度差值變化的更為顯著，其他兩種重金屬離子Ag+和Pb2+與葡萄糖氧化酶作用時，隨著溫度的升高，吸光度差值在0～0.015的小范圍內波動，抑制程度相比之下，沒有Cu2+的現象明顯.

圖1 抑制GOD活性法檢測重金屬離子的最適溫度Fig.1 Optimal temperature to detect heavy metal ions by GOD activity inhibiting method

2.3 最適反應pH的選擇

反應溶液的pH環境不但會影響酶分子的穩定性，還會影響酶與底物的作用，組成酶活性中心的氨基酸殘基側鏈存在不同的基團，pH環境的變化會影響到這些基團的解離狀態，從而影響酶促反應的速度.按照實驗方法在pH 1.0～7.0范圍內，在最適溫度下，考察pH對Pb2+、Cu2+、Ag+抑制葡萄糖氧化酶作用的影響.由圖2可知，最適宜反應的pH分別為:pH為5(Pb2+)、pH為3(Cu2+)、pH為6(Ag+).由實驗組所得吸光度數據進行方差分析，結果表明，Pb2+、Cu2+的實驗組吸光度得到的P值小于0.01，所以pH對Pb2+、Cu2+抑制葡萄糖氧化酶的程度有極為顯著的影響;Ag+的P值小于0.05，所以pH對Ag+的影響較為顯著.

通過pH的變化對比可見:Pb2+抑制葡萄糖氧化酶的吸光度差值變化在0.002～0.015范圍內，Cu2+在0.007～0.036范圍內波動，Ag+在0.014～0.038范圍內波動，Cu2+的吸光度波動范圍最大，同樣證明 Cu2+對pH的變化在3種重金屬中最為敏感.雖然酶在一定pH值范圍內有較高的活性，pH太高或太低都會影響酶的活性，實驗結果表明Cu2+在pH為3這樣相對較低的環境下對葡萄糖氧化酶產生了明顯的抑制作用，但經對照比較可以證明發生的褪色反應確實是由于重金屬離子產生了較大的抑制作用造成的.同時，在湯琳等的研究中提到，酶電極的pH值適應范圍最低可達2.55.結合本實驗結果說明，在較低的pH條件下，電子的傳遞速率增大，可能對重金屬離子與酶活性中心的結合有一定的促進作用.

2.4 最適反應時間的選擇

將重金屬離子溶液和葡萄糖氧化酶混合液在最適反應溫度條件下放置不同反應時間t，調節為最適pH，考察反應時間對重金屬離子抑制葡萄糖氧化酶的影響.由不同反應時間對酶抑制程度的影響(圖3)可知，在一定范圍內，不同重金屬離子對酶的抑制程度都會隨反應時間的增加而增加，增大到一定程度后又會受到抑制，所以，經過實驗，選擇Pb2+、Cu2+、Ag+對葡萄糖氧化酶抑制反應的最適反應時間分別為15、25、20 min，此時，每種重金屬離子對葡萄糖氧化酶的抑制作用最大.

通過比較分析，在5～15 min范圍內，3種重金屬離子抑制葡萄糖氧化酶的吸光度差值變化都不大，均在0.015上下波動，直至達到Ag+的最適反應時間20 min時3種重金屬的抑制程度呈現相對較大的差異;20 min時，抑制程度Pb2+＜Cu2+＜Ag+;隨著時間的繼續延長，達到Cu2+的最適反應時間25 min.通過方差分析，結果表明，反應時間對鉛離子抑制葡萄糖氧化酶程度的影響不顯著，而Cu2+離子、Ag+離子的P值小于0.05，說明反應時間對Cu2+離子、Ag+離子抑制葡萄糖氧化酶的程度相對顯著.盡管方差分析表明，反應時間對Pb2+抑制葡萄糖氧化酶活性的差異不顯著，但是在第15 min時，Pb2+處理組的反應體系的吸光度最高，達到0.018.因此，檢測Pb2+的最適反應時間t定為15 min.

圖2 抑制GOD活性法檢測重金屬離子的最適pHFig.2 Optimal pH to detect heavy metal ions by GOD activity inhibiting method

圖3 抑制GOD活性法檢測重金屬離子的最適反應時間Fig.3 Optimal reaction time to detect heavy metal ions by GOD activity inhibiting method

圖4 GOD受重金屬離子Pb2+、Cu2+、Ag+抑制的標準曲線Fig.4 Standard curves of GOD activity inhibited by the heavy metal ions

2.5 標準曲線的繪制

在最適反應體系下，選擇不同的濃度重金屬離子溶液繼續進行檢測.以抑制率為縱坐標，重金屬離子濃度的對數為橫坐標作圖，將所得數據利用Origin 8軟件進行擬合曲線，確定抑制方程，所得結果如表1 所示，Pb2+、Cu2+、Ag+分別在10 ～100 μmol/L、4 ～80 μmol/L、10 ～100 μmol/L 范圍內存在線性關系，其相關系數均在0.99以上，說明利用該方法對重金屬離子進行檢測具有一定的可靠性.通過實驗獲得3種重金屬離子的空白樣品相對標準偏差(RSD%)分別為 2.47%、1.71%、1.96%.相比之下，RSD 值較小，誤差較低［14］.且可求出 Pb2+、Cu2+、Ag+的檢出限分別為 0.53、0.21 和 0.18 μmol/L.對圖4中3種重金屬標準曲線的比較可見，Pb2+、Cu2+和Ag+對酶活性具有明顯的抑制作用，獲得的曲線在一定范圍具有良好的線性關系，Cu2+的斜率最大，表明受抑制效果相對明顯，Pb2+、Ag+雖然沒有Cu2+的抑制效果明顯，但是這兩種重金屬具有相對較寬的檢測范圍.

表1 抑制酶活性法檢測重金屬離子的標準曲線方程及線性響應范圍Tab.1 Standard curve equation and linear response range to detect heavy metal ions by enzymatic activity inhibiting method

2.6 分析與討論

實驗建立葡萄糖氧化酶檢測Pb2+、Cu2+和Ag+的反應體系，并對檢測每種重金屬離子的最適反應溫度、pH值和反應時間等條件進行了優化.選擇靛藍胭脂紅為指示劑，根據周建芹等的相關研究確定靛藍胭脂紅用量為1.3 mL［15］.研究中葡萄糖氧化酶用量及顯色劑用量使用合理，反應時間適宜，研究結果就較為合理.基于重金屬離子對葡萄糖氧化酶活性的抑制作用，得到的最佳工藝條件如表2所示.在最佳工藝條件下，選擇不同濃度重金屬離子溶液進行試驗，獲得標準曲線，在一定范圍內，3種重金屬離子對葡萄糖氧化酶活性的抑制具有良好的線性關系，即酶抑制法對重金屬離子的快速檢測具有較高的靈敏性;利用該方法得到的檢出限比翟彤寧［16］、劉京萍［17］等人利用其他方法得到的銅離子和鉛離子的最低檢出濃度更低.連蘭［18］等人利用生物傳感器的方法測得銅離子抑制酶電極活性得到的線性范圍是0～1.5 μmol/L，李彤［19］等人應用二氧化硅溶膠-凝膠固定化酶技術制備葡萄糖氧化酶電極檢測重金屬離子的方法測得的線性范圍0～1.5 μmol/L和0～60 μmol/L，以及利用其他傳統的檢測技術能夠檢測的線性范圍較窄［20］，相比之下，本實驗方法具有的差異性較為顯著.

表2 抑制GOD活性檢測重金屬離子的最佳反應體系Tab.2 Optimal reaction system to detect heavy metal ions by GOD activity inhibiting method

3 結論

利用靛藍胭脂紅褪色的原理并結合分光光度法對重金屬離子抑制葡萄糖氧化酶活性的檢測方法能夠獲得的線性范圍更寬，具有顯著的差異［21-22］.通過標準曲線建立數學模型確定的抑制方程置信度均在99%以上，說明該方法具有充分的理論依據及可行性.

本研究中只進行了單一重金屬離子的檢測，在實際應用中，需要檢測的未知液大多為重金屬的混合液，若存在離子之間的相互干擾問題，只需加入合適的掩蔽劑就可以排除各種干擾，因而該研究為環境中多元素的同時分析提供了參考.另外，此方法還可以設計成相關的試劑盒，用于重金屬離子更為快速、便捷的檢測.

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