基于金納米花標記的免疫層析法檢測牛奶中黃曲霉毒素M1

金玉，劉仁榮，裘雪梅

（江西科技師范大學生命科學學院，江西南昌330013）

黃曲霉毒素M1（aflatoxin M1，AFM1）是由哺乳類動物攝入被黃曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）污染的糧食或飼料后在動物體內的代謝產物，具有劇毒性和強致癌性[1]，2002年世界衛生組織國際癌癥研究機構將AFM1列為一類致癌物[2]。國內外對AFM1在牛奶及其制品中設定了比較嚴格的限量標準，歐盟規定鮮奶、高溫消毒奶及奶制品中AFM1的含量不能超過0.05 μg/kg，對于嬰幼兒配方食品中AFM1限量標準為0.025 μg/kg。我國對牛奶和嬰幼兒奶粉中AFM1的限量標準為0.5 μg/kg[3]。AFM1主要存在于國民飲食不可缺少的牛奶及其制品中[4]。所以對牛奶中AFM1含量的檢測非常必要。目前用于檢測AFM1的薄層色譜法（thin-layer chromatography，TLC）[5-6]、高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，HPLC）[7-8]和酶聯免疫法吸附試驗（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）[9]等方法需要繁瑣的操作步驟和較長檢測時間才能得到檢測結果；膠體金或稱球形納米金（gold nanospherical，AuNSs）免疫層析檢測卡雖有快速簡便易攜帶等優點，但因為AFM1的限量標準非常嚴格，30 nm 左右的AuNSs 因其光學亮度的不足很難提高目標物的檢測靈敏度[10]，難以滿足檢測AFM1靈敏度要求[11-12]。金納米花（gold nanoflowers，AuNFs）相比于常用的球形納米金因其分支狀凸出于球體表面形成很強的電場效應而表現出更強的光學消光系數[13-15]，且還有著更高的比表面積和復雜的三維立體結構。因其分支結構的特征可以使標記過程中減少空間位阻，從而使目標蛋白更容易在AuNF 表面上固定[16]。目前已有文獻報道使用AuNFs 作為探針提高了目標物的檢測靈敏度[17-18]。本研究嘗試使用AuNFs 標記AFM1單克隆抗體，研制了免疫層析檢測卡，其檢測靈敏達到12.3 pg/mL，檢測范圍為20 pg/mL～1 000 pg/mL，比球形納米金標記的AFM1單抗制備的免疫層析檢測卡檢測限提高4.3 倍。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

二水合檸檬酸三鈉（Na3C6H5O7·2H2O）、三水合四氯金酸（HAuCl4·3H2O）、抗壞血酸鈉（C6H7NaO6）、牛血清白蛋白（BSA）、聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）20000、對苯二酚（C6H6O2）：sigma 公司；黃曲霉毒素 M1抗原、黃曲霉毒素M1單克隆抗體：江西科技師范大學生命科學學院分子生物學實驗室I 制備；硝酸纖維素膜HF135：美國Millipore 公司；樣品墊、結合物墊、吸水紙、底板：上海金標生物科技有限公司；AFM1-ELISA：青島普瑞邦生物科技有限公司；其余試劑均為國產分析純試劑。

1.2 儀器與設備

電熱磁力攪拌器（GS7）：德國IKA 公司；紫外可見光分光光度計：Perkinelmer 公司；Multiskan MK3 酶標儀、透射電子顯微鏡（FEI）：美國 Thermo 公司；高速冷凍離心機（5804R）：德國 Eppendorf 公司生產；XYZ-3D噴金劃膜儀HM3035、微自動斬切機（ZQ2000）：上海金標生物科技有限公司；Zeta Plus 粒度電位測試儀：美國BROOKHAVEN INSTUMENTS CORPORATON；納米金免疫分析讀數儀（GM60）：深圳科創志達有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 溶液配置

1%檸檬酸三鈉溶液：稱取二水合檸檬酸三鈉0.5 g于燒杯中，加入50mL超純水中充分溶解；1%四氯金酸：稱取三水合四氯金酸1 g 于燒杯中，加入100 mL超純水充分溶解；1 mol/L 抗壞血酸鈉水溶液：稱取抗壞血酸鈉1.98 g 于燒杯中，加入10mL超純水充分溶解；0.03 mol/L 對苯二酚水溶液：稱取對苯二酚0.33 g于燒杯中，加入100mL超純水充分溶解。將4 種溶液過 0.22 μm 濾膜后備用。

1.3.2 AuNSs 和 AuNFs 的制備

AuNSs：取200mL超純水倒入裝有攪拌子的潔凈三角燒瓶中，在攪拌狀態下加熱至沸騰，加入1mL1%檸檬酸三鈉和200 μL 1 mol/L 抗壞血酸鈉，待溶液再次沸騰后，一次性準確加入2mL的1%四氯金酸溶液，溶液在1 min 內慢慢轉變為深酒紅色，穩定后開始計時10 min，結束后攪拌冷卻至室溫。然后將冷卻的AuNSs 溶液過0.22 μm 濾膜，置于室溫，潔凈處備用。

AuNFs：在室溫攪拌條件下，取100mL超純水倒入裝有攪拌子的潔凈三角燒瓶中，調節溶液pH 值為7.0±0.1，分別加入0.5mL1%四氯金酸水溶液、0.5mLAuNSs 和440 μL 1%檸檬酸三鈉水溶液，最后在三角瓶中加入1mL0.03 mol/L 的對苯二酚水溶液，室溫條件下反應30 min，結束后攪拌冷卻至室溫。然后將冷卻的AuNFs 溶液過0.22 μm 濾膜，置于室溫，潔凈處備用。

1.3.3 金納米花 AFM1抗體（AuNF-AFM1-Mab）和的球形納米金AFM1抗體（AuNS-AFM1-Mab）標記物的制備

AuNF-AFM1-Mab 的制備：取10mLAuNFs 于含有攪拌子的潔凈燒杯內，加入40 μL 0.2 mol/L K2CO3調節溶液pH 值，然后緩慢加入終濃度為4 μg/mL 的AFM1抗體。室溫攪拌反應30 min 后加入1mL5 %PEG20000 封閉30 min。反應結束后將標記溶液于離心機內1 000 r/min，離心5 min，然后取上清液在10 000 r/min 條件下離心20 min，下層沉淀用1mL重懸液（5%海藻糖，0.5%BSA，0.5%甘氨酸，0.5%T-20 溶于10 mmol/L PBS）溶解。放置于2 ℃～8 ℃保存備用。

AuNS-AFM1-Mab 的制備：取 10mLAuNSs 于含有攪拌子的潔凈燒杯內，加入100 μL 0.2 mol/L K2CO3調節溶液pH 值，然后緩慢加入終濃度為4 μg/mL 的AFM1抗體，室溫攪拌反應30 min。然后加入1mL10%BSA 封閉30 min。結束后將標記溶液置于離心機內900 g，離心5 min，然后取上清液在8 000 g 條件下離心30 min，下層沉淀用1mL重懸液溶解。放置于2 ℃～8 ℃保存備用。

1.3.4 AFM1金納米花免疫層析檢測卡（AFM1-gold nanoflower immunochromatographic test card，AFM1-GFICT）和球形納米金免疫層析檢測卡（AFM1-gold nanospherical immunochromatographic test card，AFM1-GICT）的制備

將 AFM1-BSA（0.5 mg/mL）和山羊抗鼠（0.3 mg/mL）分別劃在NC 膜的T 和C 線位置。在預處理的結合物墊（5%蔗糖、0.5%T-20、溶于 2 mmol/L 硼酸緩沖液）上各噴AuNS-AFM1-Mab 和AuNF-AFM1-Mab 標記物的量為2 μL/cm。將玻璃纖維切割成300 mm×18 mm大小，用樣品墊預處理液（0.5%Tetronic1307、0.5%BSA 溶于 20 mmol/L PBS，pH 值 7.5±0.1） 將玻璃纖維浸透10 min。將上述制備好的組分置于37 ℃，相對濕度小于或等于35%的恒溫箱內干燥備用。將結合物墊、樣品墊和NC 膜組裝成大板[19]。把大板切成65 mm×3.95 mm 的測試條裝入WE-2 塑料卡內組裝成檢測卡。

1.3.5 AFM1-GFICT 和AFM1-GICT 標準曲線的建立

在相同AFM1抗原和AFM1抗體用量條件下制備AFM1-GFICT 和AFM1-GICT。測量不含AFM1的空白牛奶（篩選過程參考GB 5009.24-2016《食品安全國家標準食品中黃曲霉毒素M 族的測定》[20]，以下空白牛奶均為此樣品）中加入AFM1標準品為下列濃度（0、10、20、50、100、200、300、500、900、1 000、2 700、5 400 pg/mL）的樣品，用納米金免疫分析讀數儀讀取上述12 個樣品的信號值。以加標AFM1樣品濃度為X 軸，測量信號值為Y 軸繪制非線性四參數擬合曲線。根據擬合方程式求出每個信號值對應AFM1的濃度，將AFM1標稱濃度和反求濃度做直線擬合，當直線擬合系數R2大于0.99時說明此系列加標AFM1樣品濃度的非線性四參數擬合曲線用于牛奶樣品的測量有較好的準確度。計算AFM1-GFICT 和 AFM1-GICT 的檢測限（limit of detection，LOD）定義為：分別用 AFM1-GFICT 和 AFM1-GICT檢測不含AFM1的牛奶樣品，重復檢測20 次，得到20次測量的信號值，計算其平均值（M）和標準差（SD），得出M-2SD 所對應的信號值，根據AFM1-GFICT 和AFM1-GICT 非線性四參數擬合方程，將M-2SD 所對應的信號值代入上述擬合方程求出對應的濃度值，即為其LOD。

1.3.6 AFM1-GFICT 分析性能評估

1.3.6.1 準確度、精密度和穩定性評價

選擇空白牛奶樣品，分別加入AFM1標準品使其濃度分別為 0.1、0.3、0.5 μg/kg，用室溫和 37 ℃放置 30 d的AFM1-GFICT 對3 個水平的加標樣品檢測，每個濃度重復檢測10 次。計算測量平均值和標準差，求出回收率和變異系數。

1.3.6.2 特異性評價

選擇AFM1的結構類似物AFB1和其他3 種常見真菌毒素（嘔吐毒素、玉米赤霉烯酮和赭曲霉毒素）來計算AFM1-GFICT 與它們的交叉反應率。

交叉反應率/%=AFM1-EC50/分析物-EC50×100

式中：EC50表示半最大效應濃度，pg/mL。

將AFB1、嘔吐毒素、玉米赤霉烯酮和赭曲霉毒素分別配置濃度為 0、50、100、200、500、1 000、2 000、5 400 pg/mL，用AFM1-GFICT 對4 種真菌毒素系列濃度檢測。

1.3.6.3 實際樣品檢測

從樂買佳超市購買了5 種不同品牌的純牛奶、5種不同品牌的生鮮奶和3 種不同品牌的奶粉。從生工生物工程（上海）有限公司購買2 批次的工業脫脂奶粉各1 瓶。上述純牛奶直接用AFM1-GFICT 進行檢測；奶粉檢測過程為：稱取3 g 奶粉，加入30mL10%甲醇水振蕩混勻5 min 后，置于離心機內6 000 r/min，離心5 min，取上清用AFM1-GFICT 進行檢測。

2 結果與分析

2.1 AuNFs和AuNSs的表征

AuNFs 和 AuNSs 的 （ultraviolet and visible spectrophotometry，UV）掃描圖見圖1。

圖1 AuNFs 和 AuNSs 的 UV 掃描圖Fig.1 UV absorption spectrum of AuNSs and AuNFs

金納米粒子的形態和粒徑決定了其膠體的穩定性，顏色，最大吸收峰，AuNSs 的最大吸收峰528 nm，峰窄而平滑，說明其分散性良好，顆粒均勻；AuNFs 最大吸收峰為735 nm，表明此AuNFs 相對粒徑大，分支狀數量較多；經過粒度儀測量AuNFs 的有效粒徑為（91.8±0.8）nm，AuNSs 的有效粒徑為（30.5±0.3）nm。

AuNSs 和AuNFs 的實物圖及透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）照片見圖2。

圖2 AuNFs 和AuNSs 實物照片和AuNFs 透射電鏡掃描照片Fig.2 Photographic images of AuNFs and AuNSs and TEM images of AuNFs

圖2 AuNSs、AuNFs 實物照片和透射電鏡掃描照片Fig.2 AuNSs，AuNFs physical pictures and transmission electron microscope images

AuNFs 和AuNSs 的結構和形態表明，AuNSs 是球形金納米粒子，而AuNFs 在實心的球形金納米粒子表面生長出幾個到10 幾個邊緣平滑的分支狀凸出，兩種顆粒分散性良好。

AuNFs 的Zeta 電位測量結果見圖3。

AuNFs 的 Zeta 電位為（-41.6±1.6）mV，理論上Zeta電位絕對值大于30 mV 時粒子有較好的穩定性[21]，將AuNFs 放置于室溫存儲12 個月，AuNFs 沒有發生集聚，說明此AuNFs 有較好的穩定性。數據表明AuNFs和AuNSs 可用于標記單克隆抗體。

圖3 AuNFs 的 Zeta 電位Fig.3 Zeta potential of AuNFs

2.2 AuNFs標記AFM1-Mab最佳標記pH值和最合適標記蛋白質濃度

AuNF 標記AFM1抗體的pH 值優化結果見圖4。

圖4 AuNF 標記AFM1抗體的pH 值優化Fig.4 Optimize the pH of the AuNF-labeled AFM1-Mab

取空白牛奶樣品配置AFM1濃度為0.3 ng/mL 的陽性樣品，在不同pH 值用AuNFs 標記AFM1-Mab 制備免疫層析檢測卡，用于檢測空白牛奶和陽性牛奶樣品，反應20 min 后用納米金免疫分析讀數儀讀取T/C的信號值，定義陽性T/C 信號值除以陰性T/C 信號值為此pH 值下的T 線抗原AFM1-BSA 與AuNF-AFM1-Mab 的結合率，結合率越低說明此時阻斷情況越好，靈敏度越高，抗原與抗體的反應更徹底，結合在AuNF 上的抗體活性最好，當在 2mLAuNFs 中加入 8 μL～10 μL 0.2 mol/L K2CO3時，此時陰性信號值與陽性信號值差值較大，結合率較低，說明此時標記在AuNF 上的抗體活性最好，所以此AuNF 標記AFM1的最合適標記pH 值為在 1mLAuNFs 中加入 4 μL～5 μL 的 0.2 mol/L K2CO3。

AuNF 標記AFM1抗體的濃度優化結果見圖5。

在優化好的pH 值下，在1mLAuNFs 中加入4 μg/mL AFM1抗體時，此時陰性信號值與陽性信號值差值較大，結合率最低，即為AuNFs 最佳標記蛋白質濃度。

2.3 AFM1-GFICT關鍵參數優化

AFM1-GFICT 反應體系的pH 值、離子強度和表面活性劑優化結果見圖6。

圖5 AuNF 標記AFM1抗體的濃度優化Fig.5 Optimize the concentration of AuNF-labeled AFM1-Mab

調節反應體系 pH 值為 6.0、6.5、7.0、7.5、8.0 和8.5，分別用AFM1-GFICT 檢測用空白牛奶配置的0、0.3 ng/mL 的樣品，圖中每2 個相連的卡為一組條件的檢測結果，顯色結果表明：pH 值在7.5～8.0，陰性和陽性顯色對比較明顯，離子強度為20 mmol/L PBS 陰性和陽性顯色對比較明顯，表面活0.5%Tetronic-1307條件下陰性和陽性顯色對比較明顯。

AFM1-GFICT 反應動力學曲線見圖7。

AFM1-GFICT 檢測空白牛奶樣品和用其配置AFM1為0.1ng/mL 的樣品，從10 min 開始計時到38 min結束，每分鐘測量一次它們的信號值。數據表明，當反應在20 min～25 min 時，其信號值無明顯差別，所以選擇AFM1-GFICT 最佳讀數時間為20 min～25 min。

圖6 優化AFM1-GFICT 反應體系的pH 值、離子強度和表面活性劑Fig.6 Optimizes the pH，ionic strength and surfactant of the AFM1-GFICT reaction system

圖7 AFM1-GFICT 反應動力學曲線Fig.7 AFM1-GFICT reaction kinetics curves

2.4 AFM1-GFICT和AFM1-GICT定量標準曲線的建立

AFM1-GFICT 檢測 AFM1濃度 0～1 000 pg/mL 樣品的顯色結果和其非線性四參數曲線擬合見圖8 和圖9。

可以看出從0 到1 000 pg/mL 顯色有明顯梯度，AFM1-GFICT 在 20 pg/mL～1 000 pg/mL 時反求濃度與標稱濃度直線擬合R2=0.999 8，非線性四參數曲線擬合相關系數R2=0.999 3，EC50（半最大效應濃度）=68.5 pg/mL，計算出最低檢測限為12.3 pg/mL。

圖8 AFM1-GFICT 檢測含 AFM1濃度 0～1 000 pg/mL 樣品的顯色Fig.8 AFM1-GFICT detects AFM1concentration 0～1 000 pg/mL color development result

圖9 AFM1-GFICT 非線性四參數曲線擬合Fig.9 AFM1-GFICT nonlinear four-parameter curve fitting

AFM1-GICT 檢測 AFM1濃度 0～5 400 pg/mL 樣品的顯色結果和其非線性四參數曲線擬合見圖10 和圖11。

圖10 AFM1-GICT 檢測含AFM1濃度0～5 400 pg/mL 樣品的顯色結果Fig.10 AFM1-GICT detects AFM1concentration 0～5 400 pg/mL color development result

圖11 AFM1-GICT 非線性四參數曲線擬合Fig.11 AFM1-GICT nonlinear four-parameter curve fitting

可以看出從0 到5 400 pg/mL 顯色有明顯梯度，AFM1-GICT 在 100 pg/mL～5 400 pg/mL 時反求濃度與標稱濃度直線擬合R2=0.999 0，非線性四參數曲線擬合相關系數R2=0.999 8，EC50=305.0 pg/mL，計算出最低檢測限為53.0 pg/mL。檢測結果表明在同樣抗原和抗體用量時AFM1-GFICT 的最低檢測限比AFM1-FICT高4.3 倍。表明用AuNFs 作為檢測信號的放大有利于提高免疫層析檢測試劑的靈敏度。

2.5 AFM1-GFICT分析性能評估

2.5.1 AFM1-GFICT 加標回收、精密度和穩定性測試

AFM1-GFICT 準確度、精密度和穩定性檢測結果見表1。

數據表明室溫放置AFM1-GFICT 的加標回收率在80.4%～118.2%之間，變異系數在4.27%～9.43%，37 ℃放置AFM1-GFICT 的加標回收率在81.5%～113.0%之間，變異系數在8.9%～11.9%，表明AFM1-GFICT 有較好的準確度、精密度和穩定性。

2.5.2 AFM1-GFICT 特異性

AFB1非線性四參數擬合EC50為 152.45 pg/mL，AFM1-GFICT 與其交叉反應率為44.9%，而其他3 種真菌毒素不能進行非線性四參數擬合，說明其在5.4 ng/mL時無明顯阻斷，說明AFM1-GFICT 與它們的交叉反應率小于1%。

表1 AFM1-GFICT 準確度、精密度和穩定性檢測結果Table 1 AFM1-GFICT ccuracy，precision and stability test results

2.5.3 AFM1-GFICT 與商業化AFM1-ELISA 試劑盒檢測結果的相關性

AFM1-GFICT 與AFM1-ELISA 檢測結果的相關性見圖12。

圖12 AFM1-GFICT 與AFM1-ELISA 檢測結果的相關性Fig.12 Correlation between AFM1-GFICT test results and AFM1-ELISA test results

5 份不同品牌的液態奶、5 份不同品牌的生鮮乳及5 種不同類型的奶粉同時用AFM1-GFICT 與AFM1-ELISA 檢測，兩種方法的測量結果線性擬合方程y=1.68+0.95x（R2=0.976 8），表明 AFM1-GFIT 與 AFM1-ELISA 有較好的相關性。

3 結論

AuNFs 作為標記物比AuNSs 運用于免疫層析試驗檢測牛奶樣品中的AFM1能夠有效的提高5 倍左右的檢測限。配合納米金免疫分析讀數儀，AFM1-GFICT在20 pg/mL～1 000 pg/mL 用非線性四參數曲線擬合時相關系數R2=0.999 3，其最低檢測限為12.3 pg/mL，能夠適應歐盟等國家對牛奶樣品中AFM1檢測要求。在不含 AFM1的牛奶樣品中添加 0.1、0.3、0.5 μg/kg 的 AFM1標準品，其回收率分別為80.4%、99.3%和118.2%，每個加標濃度重復檢測10 次的變異系數分別為9.43%、8.34 %和4.27 %。15 份牛奶樣品的AFM1-GFICT 和AFM1-ELISA 檢測結果相比，線性擬合相關系數R2=0.976 8。上述結果表明AFM1-GFICT 有較好的準確度、精密度和較高的靈敏度，可為檢測牛奶及其制品中AFM1的污染提供靈敏高效準確的檢測方法。