基于石墨烯/離子液體構建免疫傳感器快速測定食品中黃曲霉毒素B1

王瑞鑫，馮亞凈，李書國

（河北科技大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050018）

基于石墨烯/離子液體構建免疫傳感器快速測定食品中黃曲霉毒素B1

王瑞鑫，馮亞凈，李書國*

（河北科技大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050018）

采用殼聚糖、石墨烯和1-丁基-3-甲基咪唑基四氟硼酸鹽復合膜修飾玻碳電極，包埋固定黃曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）抗體，構建了一種免疫傳感器，用于快速測定食品中的AFB1。在pH值為7.0含1 mmol/L K3［Fe（CN）6］和0.1 mmol/L KCl的磷酸鹽緩沖溶液中，基于AFB1抗體與抗原之間的特異性免疫反應，以K3［Fe（CN）6］為探針，運用循環伏安法和差分脈沖伏安法研究免疫反應對傳感器響應電流的影響。在優化實驗條件下，免疫傳感器峰電流的降低值隨溶液中AFB1質量濃度對數的增大而增大，且二者在0.1～8.1 ng/mL范圍內呈線性關系，其檢出限為0.04 ng/mL（RSN=3）。該免疫傳感器的穩定性和重復性較好，利用該法對花生和玉米油樣品中AFB1進行檢測，回收率為94.73%～104.41%，檢測結果與高效液相色譜法基本一致，用于食品中AFB1的快速檢測是可行的。

免疫傳感器；黃曲霉毒素B1；石墨烯；離子液體；食品安全快速檢測

黃曲霉毒素是由黃曲霉和寄生曲霉等真菌產生的一類化學結構相類似的毒性物質［1］。黃曲霉毒素均為二氫呋喃香豆素的衍生物，常見的有黃曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）、AFG1、AFM1等，其中以AFB1的毒性和致癌性最強［2-4］。多數國家嚴格控制食品和農產品中AFB1的含量。我國GB 2761—2011《食品中真菌毒素限量》規定谷物、油脂及其制品中限量標準為20 μg/kg，歐盟國家的限量標準最嚴格，在花生、堅果、干果和谷物中為2.0 μg/kg［5-7］。建立檢測用時短、準確性高和靈敏度好的AFB1檢測方法重大意義。

目前，AFB1的檢測方法主要有薄層層析法［8-10］、高效液相色譜法［11-14］、液相色譜-質譜法［15-18］、酶聯免疫吸附法［19-22］等。上述方法各有優劣，薄層層析法操作簡單、成本低，但存在靈敏度低和對環境污染系數大等問題；高效液相色譜法和氣相色譜-質譜法靈敏度高、精確度好，但存在操作繁瑣和儀器昂貴等缺點；酶聯免疫吸附法檢測速度快，但檢測精度不足。免疫傳感器法通過將抗原/抗體間的免疫反應轉換為電信號，依據目標物不同質量濃度條件下信號的規律性變化完成檢測，隨著特異性抗體不斷地研發，憑借其檢測靈敏度高和特異性好的優勢發展迅速，也成為檢測AFB1的一種方法［22-25］。

本實驗以AFB1為研究對象，采用殼聚糖（chitosan，CS）/石墨烯（graphene，GS）/1-丁基-3-甲基咪唑基四氟硼酸鹽（1-butyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate，IL）復合膜（CS/GS/IL）修飾玻碳電極（glassy carbon electrode，GCE），利用成膜性極好的殼聚糖分散具有大比表面積的石墨烯和良好生物兼容性的離子液體固定AFB1抗體（afl atoxin B1antibody，anti-AFB1），制備了一種無標記電流型免疫傳感器。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

花生、玉米油購自石家莊市某農貿市場。

殼聚糖（脫乙酰度≥90.0%） 北京索萊寶科技有限公司；石墨烯（純度＞99%） 北京德科島金科技有限公司；對氨基苯甲酸（分析純）、N-羥基琥珀酰亞胺（98%）、1-乙基（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺鹽酸鹽（98%）、1-丁基-3-甲基咪唑基四氟硼酸鹽（97%） 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；AFB1、AFM1美國Sigma公司；AFB1抗體 深圳芬德生物技術有限公司；牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）（96%）上海翊圣生物科技有限公司；N,N-二甲基甲酰胺（分析純） 天津市達森化工產品銷售有限公司。

1.2儀器與設備

LK98BⅡ型微機電化學分析系統、三電極系統（3 mm玻碳圓盤電極為工作電極、鉑絲電極為對電極、Ag/AgCl電極為參比電極） 天津蘭力科化學電子高技術有限公司；LC-10A型高效液相色譜儀 日本島津公司；FA 2204型電子分析天平 上海菁海儀器有限公司；KQ 2200型超聲波清洗儀 昆山市超聲儀器有限公司；TGL-10B型高速臺式離心機 上海安亭科學儀器廠；GZX-9070 MBE型電熱鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠；HH-S6型恒溫水浴鍋 北京科偉永興儀器有限公司。

1.3方法

1.3.1CS/GS/IL修飾液的制備

將0.01 g CS溶于10 mL乙酸（體積分數1%）溶液中，制得質量濃度為1 g/L的CS透明溶液，于4 ℃條件下貯存。在10 mL N,N-二甲基甲酰胺中加入0.01 g GS，超聲處理5 min，制得均勻分散的GS懸浮液。取5 mL GS懸浮液加入5 mL CS溶液中，超聲處理15 min，使GS均勻地分散在CS溶液中，得到CS/GS懸浮液。取200 μL IL加入上述CS/GS懸浮液，超聲處理30 min，使IL均勻分散在CS/GS混合液中，得到CS/GS/IL修飾液，于4 ℃貯存，備用。

1.3.2電化學免疫傳感器的制備

將GCE用Al2O3粉末（粒徑0.05 μm）打磨拋光，至電極表面成光滑鏡面，再依次于濃硝酸-水（1∶1，V/V），丙酮和去離子水中各超聲處理4 min，氮氣吹干，備用。

圖1　GCE/CS/GS/IL/anti-AFB1免疫傳感器的制備及免疫過程Fig.1　Preparation and immune reaction of GCE/CS/GS/IL/anti-AFB1immunosensor

免疫傳感器的制備過程見圖1。利用三電極系統，即經預處理的GCE為工作電極、Ag/AgCl為參比電極、鉑絲電極為輔助電極，在-1.5～1.0 V電位區間內，以50 mV/s的掃速在新配制的5 mmol/L對氨基苯甲酸溶液中進行循環伏安掃描15 圈。沖洗GCE表面，滴加5 μL新配制的1-乙基（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺鹽酸鹽（ethyl（1-3-dimethyl amino propyl） carbon 2 imine hydrochloride，EDC）和N-羥基琥珀酰亞胺（N-hydroxy succinimide，NHS）的混合液（NHS為100 mmol/L，EDC為400 mmol/L），活化處理2 h。在GCE表面滴加5 μL CS/GS/IL，通過CS中氨基與GCE表面活化后的羧基發生酸胺縮合反應的方式固定CS/GS/IL。室溫條件下晾干，在GCE表面滴加5 μL anti-AFB1，37 ℃條件下孵育2 h，anti-AFB1經CS中氨基固定于GCE。最后在GCE表面滴加5 μL 1% BSA的磷酸鹽緩沖溶液（pH 7.4），4 ℃條件下封閉30 min，以消除非特異性吸附，得到GCE/CS/GS/IL/anti-AFB1免疫傳感器，于4 ℃條件下保存備用。

1.3.3免疫傳感器法

在CS/GS/IL/anti-AFB1修飾的玻碳電極表面分別滴涂不同質量濃度梯度（0.1～8.1 ng/mL）的AFB1標準溶液，在37 ℃條件下溫育30 min。采用三電極系統（GCE/CS/ GS/IL/anti-AFB1為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲電極為輔助電極），于1.0 mmol/L K3［Fe（CN）6］+ 0.1 mol/L KCl+0.2 mol/L磷酸鹽緩沖溶液（phosphate buffer solution，PBS）（pH 7.0）進行電化學表征和檢測分析。運用循環伏安法（電壓：-0.2～0.6 V，掃描速率：50 mV/s）對于免疫傳感器的制備作電化學表征，運用差分脈沖伏安（differential pulse voltammetry，DPV）法（電位：-0.2～0.6 V）測定并記錄不同質量濃度AFB1峰電流值Ip，分析Ip的變化值與相對應AFB1質量濃度對數的關系，并做標準曲線。

1.3.4樣品中AFB1的測定

1.3.4.1樣品前處理

分別取10 g花生（粒度小于2 mm）、玉米油樣品，置于150 mL錐形瓶中，加入50 mL甲醇-水（80∶20，V/V，含10 g/L NaCl）溶液，超聲處理30 min，充分溶解。樣品提取液以5 000 r/min離心5 min，取上清液1 mL加入9 mL水中進行稀釋，再經0.22 μm有機相濾膜過濾，備用。

1.3.4.2免疫傳感器測定

在制備好的免疫傳感器上滴加2 μL處理好的樣品提取液，在37 ℃條件下孵育30 min，利用DPV法測定。每個樣品測定3 次，取3 次測定電流值的平均值作為該樣品的電流值，將該電流值代入1.3.3節中得出的電流值的變化與AFB1質量濃度對數的線性回歸方程，計算樣品中AFB1的量。

1.3.4.3高效液相色譜法測定

色譜條件：色譜柱：Wo n d a C r a c t O D S-2（4.6 mm×250 mm，5 μm）；檢測器：SPD-10AVP Plus紫外-可見雙波長檢測器；流動相：甲醇-水（45∶55，V/V）；流速：1.0 mL/min；柱溫：35 ℃；進樣量：20 μL；波長：360 nm。

稱取25 mg AFB1標準品，用甲醇溶解并定容于100 mL容量瓶中，作為儲備液保存于4 ℃條件下。使用前依據需求配成相應質量濃度梯度的標準溶液，取20 μL標準溶液進樣，記錄其高效液相色譜的圖譜，根據所得峰面積與對應的AFB1質量濃度繪制標準曲線。分別取上述處理好的花生、玉米油樣品提取液20 μL，進行高效液相色譜檢測，依據上述標準曲線計算中AFB1質量濃度，并與免疫傳感器檢測方法作對比。

1.4數據統計分析方法

以上測定均為3 組平行實驗，取3 組平均值。運用SPASS 18.0軟件進行數據統計分析，采用單因素方差分析進行顯著性差異分析（P＜0.05），實驗的數據圖利用OriginLab Origin Pro v9.0軟件繪制。

2　結果與分析

2.1CS/GS/IL修飾電極的電化學表征

圖2　不同修飾電極的循環伏安圖Fig.2　Cyclic voltammograms of different electrodes

在1.0 mmol/L K3［Fe（CN）6］+0.1 mol/L KCl+ 0.2 mol/L PBS（pH 7.0）的測試底液中，采用循環伏安（cyclic voltammetry，CV）法對裸玻碳（a）、GCE/CS（b）、GCE/CS/GS（c）和GCE/CS/GS/IL（d）進行表征（圖2）。在裸GCE上有一對較好的氧化還原峰。修飾CS后，氧化還原峰電流減小，修飾CS/GS后，氧化還原峰電流明顯增大，GS的引入明顯提高了GCE的電流響應，這是由于GS粒子經CS/GS固定在GCE表面，具有突出電學性能的GS粒子相當于納米尺寸的微電極，可作為電子與電極之間電子傳遞的微通道。當電極的表面修飾了CS/GS/IL后，其氧化還原峰的電流進一步增大。

2.2免疫反應的電化學表征

當在GCE/CS/GS/IL表面滴加anti-AFB1以后，氧化還原峰的電流減少（圖3），這是由于抗體作為蛋白質的絕緣性阻礙電子的傳遞，這就說明anti-AFB1已經成功固定在電極表面上。在經BSA封閉后的GCE/CS/GS/IL/anti-AFB1表面滴加AFB1標準溶液后，其峰電流進一步降低，表明anti-AFB1和AFB1已經成功結合進行特異性免疫反應。

圖3　修飾電極免疫前后的循環伏安圖Fig.3　Cyclic voltammograms of the electrodes before and after immuno-modification

2.3實驗條件的優化

2.3.1修飾液的配比和用量對免疫傳感器的影響

修飾液的配比會對免疫傳感器的造成影響，按照CS和GS的體積比為0.5∶1、1∶1、1.5∶1各配制CS/GS的混合液5 mL，并添加100 μL IL，分別取5 μL修飾經處理的GCE，運用CV測定其電流大小，當CS和GS的體積比為1∶1時，電流最大，因此，選擇二者體積比為1∶1，并添加50 μL IL作為修飾液的配比。CS/GS/IL修飾液的用量會影響電子的傳遞，分別將1、2、3、4、5、6 μL的CS/GS/IL復合物滴涂在經電聚合處理的GCE上，采用CV測定電流的大小。如圖4所示，氧化峰電流一開始逐漸增大，當用量為5 μL時，電流最大。然后隨CS/GS/IL用量的增加，電流逐漸減小，綜合考慮選擇修飾液的用量為5 μL。

圖4　修飾液用量對免疫傳感器電流的影響Fig.4　Effect of modified composite quantity on the response current of the immunosensor

2.3.2測試底液pH值對免疫傳感器的影響

圖5　pH值對免疫傳感器DPV峰電流的影響Fig.5　Effect of pH on the DPV peak current of the immunosensor

如圖5所示，在5.8～7.0范圍內峰電流隨pH值的增大而增大，在pH值為7.0時達到最大，在7.0～7.8范圍內峰電流隨pH值的增大而減小，這可能是因為在酸性或者堿性條件下，抗體中部分基團質子化或解離導致抗體產生變性。因此，選擇電解質溶液的pH值為7.0。

2.3.3溫育時間與溫度對免疫傳感器的影響

圖6　溫育時間（A）和溫度（B）對免疫傳感器DPV峰電流的影響Fig.6　Effect of incubation time and temperature on the DPV peak current of the immunosensor

在GCE/CS/GS/IL/anti-AFB1表面滴加2 μL AFB1標準溶液，依次延長時間，采用DPV測定響應電流。如圖6A所示，在10～30 min范圍內峰電流隨時間的延長而增大，說明抗原與抗體反應需要一定時間，才能結合并形成穩定的免疫產物，當反應達到30 min后，峰電流的變化較小，表明固定的anti-AFB1的AFB1的結合達到相對飽和，所以選取30 min為優化溫育時間。在一定溫度范圍內，升溫能加速形成免疫產物，但抗體失活的可能性也增大。所以在優化溫育時間的條件下，探究溫育溫度在17～42 ℃范圍內對免疫反應的影響。如圖6B所示，在17～37 ℃范圍內，電流隨溫度升高而增大，在37 ℃時最大，高于37 ℃后，電流值減少，這是由于高溫破壞了免疫復合層，所以選取37 ℃為優化溫育溫度。

2.4免疫傳感器對AFB1的差分脈沖檢測結果

配制系列質量濃度的AFB1標準溶液，按照1.3.3節的方法測得不同質量濃度標準溶液的響應電流值，以所測峰電流與質量濃度為0時峰電流的差值為縱坐標，AFB1標準溶液質量濃度的對數為橫坐標，繪制AFB1的標準曲線。如圖7所示，在AFB1質量濃度范圍為0.1～8.1 ng/mL時免疫反應電流差值ΔIp隨AFB1質量濃度的增大而增大，且ΔIp值與lgCAFB1之間的關系滿足線性關系方程：ΔIp= 4.659lgCAFB1+7.205，線性相關系數R2 = 0.999，其檢出限為0.04 ng/mL（RSN=3）。Zhang Songbai等［26］采用鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯功能化的多壁碳納米管和鈀金納米顆粒構建AFB1免疫傳感器，線性范圍為0.05～25 ng/mL，其檢出限為0.03 ng/mL；Ma Haihua等［27］基于殼聚糖和納米金粒子構建AFB1免疫傳感器檢測檢測玉米中的AFB1，檢測范圍為0.01～10 μmol/L，檢出限為2.02 ng/mL。孫秀蘭等［28］采用溶膠凝膠法固定AFB1抗體，制備了一種AFB1免疫傳感器，其檢出限為0.1 ng/mL。由此可見，本實驗構建的免疫傳感器具有較好的靈敏度，可作為一種快速測定AFB1的方法。

圖7　AFB1質量濃度對免疫傳感器響應電流的影響Fig.7　Effect of AFB1concentration on the DPV peak current of the immunosensor

2.5免疫傳感器的特異性、穩定性和重復性

在免疫傳感器表面分別滴加2 μL AFB1標準溶液、2 μL AFB1和AFM1標準溶液、其中AFB1和AFM1的質量濃度均為8 ng/mL，相同條件下處理后測定差分脈沖響應電流值。在加入干擾物（AFM1）的條件下，電流響應的變化不超過5.42%，說明該免疫傳感器特異性較好。將制備好的免疫傳感器連續掃描15 圈，電流響應僅下降3.85%，將制備好的免疫傳感器置于4 ℃條件下密閉保存，每3 d在相同條件下進行DPV掃描，9 d后的電流響應值為初始電流響應值的92.4%，表明該免疫傳感器的穩定性較好。分別制備同一批次3 支免疫傳感器和3 個批次（每個批次2 支）的免疫傳感器，進行AFB1檢測，同一批次的電流變化率不超過5.15%，不同批次的電流變化率不超過5.89%，表明該傳感器重復性較好。

2.6樣品中AFB1的測定及加標回收實驗結果

按照1.3.4.1節的方法處理樣品，得到樣品提取液，分別采用免疫傳感器法和高效液相色譜法檢測花生、玉米油兩種樣品中AFB1含量，并進行加標回收實驗，按照1.4節的方法，計算其平均值和相對標準偏差，結果如表1所示，該法對花生和玉米油樣品中AFB1的進行檢測，回收率為94.73%～104.41%，檢測結果與高效液相色譜法基本一致，免疫傳感器法用于食品中AFB1的檢測快捷、方便、可行。

表1　樣品中AFB1含量測定的結果Table1　Analytical results obtained for the determination of AFB in samples

3　結 論

利用殼聚糖-石墨烯摻雜1-丁基-3-甲基咪唑基四氟硼酸鹽作為電極修飾材料，制備了一種無標記的電流型免疫傳感器。該免疫傳感器利用具有成膜性極好的殼聚糖大分子、具有高比表面積的石墨烯和良好生物兼容性的離子液體來固定黃曲霉毒素抗體，石墨烯優良的導電性能和特殊的結構為免疫傳感器表面電子傳遞提供更多通道，離子液體的引入進一步改善了免疫傳感器表面的導電能力和有利于保持生物分子的活性，3 種材料組成的復合膜提高了免疫傳感器的穩定性和靈敏度。此外，該傳感器制作過程簡單、靈敏度高、穩定性和重復性好，可以實現對AFB1的快速、簡便、靈敏檢測，在食品檢測方面具有潛在的應用價值。

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An Electrochemical Immunosensor for Rapid Determination of Aflatoxin B1in Foods Based on Graphene and Ionic Liquid

WANG Ruixin, FENG Yajing, LI Shuguo*
（College of Bioscience and Bioengineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China）

An electrochemical immunosensor for the rapid determination of aflatoxin B1（AFB1） in foods has been fabricated by employing chitosan, graphene and 1-butyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate composite film to immobilize AFB1antibody onto the surface of glassy carbon electrode. Based on the specific immune reaction between AFB1antibody and antigen, the effects of immune response on the response current of the immunosensor were investigated by cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry using K3［Fe（CN）6］ as the probe in phosphate buffer solution （pH 7.0） with 1 mmol/L K3［Fe（CN）6］ and 0.1 KCl. Under the optimized experimental conditions, the reduction in the peak current of the immunosensor increased with the increase in the logarithm of the concentration of AFB1in solution, showing a linear relationship in the AFB1concentration range of 0.1-8.1 ng/mL with limit of detection （LOD） of 0.04 ng/mL （RSN= 3）. Excellent stability and repeatability of the prepared immunosensor were observed under the selected condition. The recovery rate of AFB1in peanut and corn oil samples was in the range of 94.73%-104.41%. The results from this method well agreed with those obtained by high performance liquid chromatography method, and so it is practicable for the rapid determination of AFB1in food.

immunosensor； aflatoxin B1（AFB1）； graphene； ionic liquid； rapid detection in food safety

10.7506/spkx1002-6630-201620020

TS207.5

A

1002-6630（2016）20-0120-06

王瑞鑫, 馮亞凈, 李書國. 基于石墨烯/離子液體構建免疫傳感器快速測定食品中黃曲霉毒素B1［J］. 食品科學, 2016, 37（20）： 120-125. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201620020. http：//www.spkx.net.cn

WANG Ruixin, FENG Yajing, LI Shuguo. An electrochemical immunosensor for rapid determination of aflatoxin B1in foods based on graphene and ionic liquid［J］. Food Science, 2016, 37（20）： 120-125. （in Chinese with English abstract）

DOI：10.7506/spkx1002-6630-201620020. http：//www.spkx.net.cn

2016-03-07

國家自然科學基金面上項目（20876165）；河北省食品藥品安全科技項目計劃項目（PT2014027）

王瑞鑫（1992—），男，碩士研究生，研究方向為食品科學與安全。E-mail：245559416@qq.com

李書國（1969—），男，教授，博士，研究方向為糧油食品安全技術。E-mail：shuguolee@126.com