基于適配體雜交鏈式反應檢測郫縣豆瓣中黃曲霉毒素B1

黃玉坤，陶 璇，邵 坤，王 沖，王力均，車振明，陳祥貴,

（1.西華大學食品與生物工程學院，四川 成都 610039；2.宜賓西華大學研究院食品非熱加工重點實驗室，食品非熱加工工程技術研究中心，四川 宜賓 644004）

黃曲霉毒素是一類化學結構相似的化合物，為二氫呋喃香豆素衍生物，其熱穩(wěn)定性非常強[1]。在1993年被世界衛(wèi)生組織癌癥研究機構劃定為一類天然存在的致癌物，是毒性極強的劇毒物質[2]，其中黃曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）的毒性最強[3]。黃曲霉毒素中毒的最主要途徑是食物中毒，世界各國相繼出臺了食品中黃曲霉毒素限量標準。中國與美國對淀粉類制品（餅干、面包、蛋糕）、發(fā)酵食品（醬油、醋、豆豉、醬）、糧食產品（麥粉、面粉）等的AFB1限量為不超過5 μg/kg[4]，歐盟則規(guī)定不得檢出。郫縣豆瓣作為川菜發(fā)酵調味品，在發(fā)酵過程中起主要作用的微生物是曲霉屬。由于傳統(tǒng)生產工藝仍然比較粗放，在發(fā)酵過程監(jiān)控不夠嚴格和標準化的情況下，產品極易被黃曲霉污染而產生黃曲霉毒素[5-6]。因此，AFB1污染情況已作為郫縣豆瓣地理標志產品標準（把豆瓣地理標準列在這里）中的質量合格要求之一進行監(jiān)測。但是，由于豆瓣富含蛋白質、氨基酸、酶、色素、脂類等成分，檢測基質非常復雜，實現(xiàn)對豆瓣中AFB1有效檢測面臨較大挑戰(zhàn)。因此，研究建立一種準確、穩(wěn)定、高效、快速、低成本的針對郫縣豆瓣中AFB1的檢測方法變得非常必要。

核酸適配體是由一般不超過100 個堿基組成的單鏈脫氧核糖核苷酸（ssDNA）或核糖核苷酸（RNA），能特異性結合靶標物質[7]。近年來，適配體逐漸被應用到食品安全檢測領域[8-9]。目前，基于AFB1適配體的檢測方法有比色傳感檢測法[10]、競爭性酶聯(lián)適配體檢測法[11]、電化學檢測法[12]、毛細管電泳檢測法[13]等。雜交鏈式反應（hybridization chain reaction，HCR）無需酶的參與，其原理是利用一條單鏈DNA引發(fā)2 條探針之間發(fā)生雜交反應，形成超長雙鏈[14-15]。該反應通過對單鏈核苷酸進行擴增或自組裝以擴大信號，提高檢測方法的靈敏度[16]。操作簡單、條件溫和，因此廣泛用于食品安全檢測[17-18]。Xu Yangyang等[19]以適配體為引發(fā)劑，構建了基于HCR熒光信號放大的檢測方法，用于檢測葡萄球菌腸毒素B；Yu Shuang等[20]建立了基于適配體的HCR，并用于檢測沙門氏菌；Wang Bin等[21]應用HCR技術研制了檢測赭曲霉毒素A的超靈敏適配體傳感器；Zhang Zhen等[22]將Hg2+介導的適配體與HCR信號放大反應結合，建立了谷胱甘肽的熒光檢測方法，但鮮見該反應用于AFB1高靈敏快速檢測方法的建立。

本研究基于適配體識別作用構建郫縣豆瓣中AFB1的HCR檢測體系。該體系主要由AFB1適配體、互補鏈（cDNA）、氧化石墨烯（graphene oxide，GO）、FAM標記的發(fā)夾1（HP1）和發(fā)夾2（HP2）組成。在此體系中，無AFB1存在時，HP1熒光被淬滅；AFB1存在時，HP1熒光恢復。在一定范圍內，熒光強度與樣品中AFB1的含量呈線性關系。最后將該方法用于多種郫縣豆瓣樣品中AFB1的測定，旨在為復雜基質的樣品中AFB1的檢測提供新的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

AFB1標準儲備液（1 mg/mL）、黃曲霉毒素B2（aflatoxin B2，AFB2）標準儲備液（1 mg/mL）、赭曲霉毒素A、赭曲霉毒素B、玉米赤霉烯酮、伏馬毒素 上海源葉生物科技有限公司；AFB1試劑盒 江蘇蘇微微生物研究有限公司；瓊脂糖、乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）（99.5%） 阿達瑪斯試劑公司；GO 南京先豐納米材料科技有限公司；DNA Marker（100～600 bp和100～1 200 bp） 北京天根生化科技有限公司；不同品牌（大弘潤、川堰、品樂、真的老、丹丹、鑫宏丹、蜀味源、麗通、蜀城、鵬勝、川溪、鵑城）的郫縣豆瓣購于本地超市；緩沖液（10 mmol/L Tris、5 mmol/L KCl、20 mmol/L CaCl2、120 mmol/L NaCl，pH 7.2）。

AFB1的適配體序列[23]及相關序列設計方法參考Chen Lu等[24]的報道。所有DNA序列經(jīng)生工生物工程（上海）股份有限公司合成和高效液相色譜純化。合成DNA的序列見表1。

表1 本實驗所用的DNA序列Table 1 DNA sequence used in this study

1.2 儀器與設備

恒溫混勻儀 杭州奧盛儀器有限公司；瓊脂糖水平電泳儀 北京東南儀誠有限公司；VILBER FUSION SL4化學發(fā)光及多色熒光成像系統(tǒng) 锘海生物有限公司；Fluoromax-4熒光光譜儀 美國HORIBA集團公司。

1.3 方法

1.3.1 瓊脂糖凝膠電泳

使用前將HP1和HP2在95 ℃變性10 min，然后緩慢冷卻至室溫。在緩沖液存在下，1 μmol/L cDNA；1 μmol/L HP1；1 μmol/L HP2；1 μmol/L HP1和HP2；1 μmol/L HP1、1 μmol/L HP2和不同濃度的cDNA，分別在37 ℃振蕩孵育1 h。DNA產物通過瓊脂糖凝膠電泳進行表征。用1×TAE緩沖液（40 mmol/L Tris-乙酸鹽，1 mmol/L EDTA和20 mmol/L乙酸）制備2%瓊脂糖凝膠，110 V電壓下電泳40 min，并在熒光成像儀紫外光下成像。

1.3.2 基于適配體的HCR體系檢測AFB1方法建立

使用前將HP1與HP2在95 ℃變性10 min，然后緩慢冷卻至室溫。將不同濃度的AFB1標準溶液與40 nmol/L適配體溶液混合，在37 ℃振蕩孵育30 min；加入50 nmol/L cDNA溶液，繼續(xù)振蕩孵育30 min；再加入60 nmol/L HP1和HP2，孵育1 h。最后加入50 μg/mL GO溶液。加入緩沖液至總體積為500 μL，在37 ℃振蕩孵育30 min后測定熒光強度。熒光光譜儀測定條件：激發(fā)波長為480 nm，發(fā)射波長的范圍為500～600 nm。

1.3.3 基于適配體的HCR體系檢測AFB1方法的特異性評價

選擇5 種常見的真菌毒素（AFB2、赭曲霉毒素A、赭曲霉毒素B、玉米赤霉烯酮、伏馬毒素）作為干擾物質，質量濃度均為50 ng/mL。采用1.3.2節(jié)檢測方法進行特異性檢測。

1.3.4 豆瓣樣品中AFB1的檢測應用

稱取10.0 g豆瓣樣品，粉碎后加入50 mL 50%甲醇溶液和20 mL正己烷，振蕩15 min后轉入分液漏斗中待分層。收集下層溶液10 mL旋轉蒸發(fā)濃縮后，加入10 mL 10%甲醇-Tris-HCl復溶。然后將不同濃度的AFB1標準溶液添加到1 mL樣品液中。對每個樣品進行3 次標準添加和回收實驗，計算回收率。HCR方法與GB 5009.22—2016《食品中黃曲霉毒素B族和G族的測定》中的酶聯(lián)免疫吸附法[25]試劑盒同時測定12 種不同品牌的郫縣豆瓣中AFB1的含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel處理數(shù)據(jù)，用Origin 8.0軟件作圖。用Duncan多重比較進行顯著性分析，P＜0.05，差異顯著。

2 結果與分析

2.1 基于核酸適配體的HCR體系的傳感策略設計原理

本實驗基于核酸適配體的HCR體系檢測AFB1的原理如圖1所示。該傳感器主要由AFB1適配體、cDNA、HP1和HP2組成。cDNA與AFB1適配體可通過氫鍵作用部分雜交配對[19]，HP1和HP2與cDNA完全互補配對并可自身部分互補形成“發(fā)夾”結構的探針。HP1的5’末端（a鏈）修飾熒光分子FAM，3’端（b鏈）有6 個未配對的堿基作為黏性末端。cDNA通過與HP1的b鏈配對引發(fā)a與b解鏈。發(fā)夾結構HP1中被暴露出的a鏈與HP2中的a’鏈互補配對而引發(fā)HP2的b’與a’解鏈。HP2解鏈后的b’鏈會再次與HP1雜交，如此反復自組裝，發(fā)生HCR，形成超長雙鏈DNA，該雙鏈DNA上有多個有機熒光素FAM。GO對單鏈DNA具有很強的吸附性能。HP1的黏性末端通過π-π堆積作用被吸附到GO表面，其末端的熒光基團FAM與GO發(fā)生熒光共振能量轉移，熒光被淬滅[26-28]。GO對雙鏈DNA的吸附能力弱，因此發(fā)生HCR反應后的超長雙鏈中FAM的熒光被淬滅的程度顯著降低[29]。當不存在靶標AFB1時，cDNA不能觸發(fā)HCR的HP1與HP2結合，HP1關閉，熒光信號較低。當存在靶標AFB1時，適配體-AFB1的親和力高于適配體-cDNA，cDNA觸發(fā)HP1與HP2互補配對，HP1被打開并恢復熒光信號，從而實現(xiàn)對AFB1的定量分析。

圖1 基于適配體的CR體系檢測原理圖Fig. 1 Schematic illustration of the principle of hybridization chain reaction based on aptamer

2.2 序列設計

圖2 單鏈DNA的二級結構圖Fig. 2 Secondary structures of single-stranded DNA

本實驗中的HP1、HP2、cDNA通過NUPACK軟件設計得到，通過Mfold軟件模擬序列的二級結構如圖2所示，HP1和HP2為發(fā)夾結構，cDNA為與AFB1部分互補的短鏈。該預測結果與實驗設計的理想結構相符。

2.3 基于適配體的HCR檢測體系的驗證

瓊脂糖凝膠（質量分數(shù)2%）用于表征和驗證HCR擴增和基于適配體的HCR系統(tǒng)。由圖3可知，當不存在cDNA時，只有一條清晰的條帶（泳道e），HP1和HP2未發(fā)生雜交，沒有高分子質量DNA產物生成。加入不同濃度的cDNA時，泳道f～i有高分子質量的DNA生成，這表明cDNA的存在引發(fā)了HCR，并且隨cDNA濃度的降低呈現(xiàn)平均分子質量增加的趨勢[30]。

圖3 HCR產物的瓊脂糖凝膠電泳圖Fig. 3 Agarose gel electrophoresis images of nucleic acids in HCR products

由圖4a可知，F(xiàn)AM在480 nm波長處受到激發(fā)后在波長516 nm左右具有最高的熒光強度。由圖4b可知，GO在500～700 nm波長范圍內都具有光吸收特性，與FAM標記發(fā)生熒光共振能量轉移，進而引起熒光淬滅。

圖4 FAM被GO淬滅前后的熒光光譜（a）和GO的紫外-可見吸收光譜圖（b）Fig. 4 Fluorescence spectra of FAM before and after quenching by GO (a) and UV-visible absorption spectrum of GO (b)

圖5 進一步驗證了基于適配體的HCR系統(tǒng)（AFB1適配體、cDNA、HP1、HP2、GO、AFB1的濃度分別為20 nmol/L、20 nmol/L、60 nmol/L、60 nmol/L、20 ng/mL、20 ng/mL）。未加入GO時，F(xiàn)AM的熒光不被淬滅，熒光強度較高（圖5a）。加入GO后，HP1和HP2被吸附到GO表面，F(xiàn)AM熒光被淬滅，熒光強度明顯降低（圖5b）。加入cDNA時，cDNA引發(fā)了HP1和HP2之間的HCR，發(fā)夾探針的熒光得到恢復（圖5c）。當靶標AFB1存在時，適配體與AFB1結合使得更多的cDNA引發(fā)HCR，生成多個聚合雙螺旋DNA，熒光強度顯著增強（圖5d）。由此證明了該方法的可行性。

圖5 不同反應體系的熒光響應Fig. 5 Fluorescence responses of different reaction systems

2.4 HCR實驗條件優(yōu)化

2.4.1 互補短鏈cDNA的濃度優(yōu)化

圖6 引發(fā)探針cDNA與適配體的濃度對熒光信號的影響Fig. 6 Effect of concentration of cDNA and aptamer on fluorescence signal

cDNA作為HCR的引發(fā)鏈，其濃度對雙鏈DNA產物的形成和熒光信號的強弱有著直接影響，本實驗中固定適配體為40 nmol/L，優(yōu)化了cDNA的濃度。如圖6所示，隨著cDNA的濃度增大，熒光強度顯著升高。當cDNA與AFB1適配體濃度比達到1.25后，熒光強度緩慢升高，這表明cDNA引發(fā)HP1和HP2雜交產生的雙鏈產物幾乎達到了飽和狀態(tài)。因此，選用濃度比為1.25時的cDNA濃度（50 nmol/L）為最佳反應濃度。

2.4.2 HP1和HP2濃度優(yōu)化

在HCR體系中，HP1與HP2之間進行互補錯位雜交，因此將HP1和HP2以1∶1的濃度比混合參與反應。如圖7所示，熒光強度隨著反應體系中HP1與HP2的濃度增大而增強。當HP1與HP2濃度達到60 nmol/L時反應體系的熒光強度最強，當HP1與HP2濃度繼續(xù)增大，熒光強度降低。熒光強度降低可能是核酸濃度太高產生了空間位阻，導致雜交鏈的形成受到影響[19,31]。因此選擇60 nmol/L的濃度作為最佳反應濃度。

圖7 發(fā)夾探針P1/P2的濃度對熒光強度的影響Fig. 7 Effect of concentration of hairpin probe HP1/HP2 on fluorescence intensity

2.4.3 雜交孵育時間優(yōu)化

圖8 cDNA與P1/P2雜交時間對熒光強度的影響Fig. 8 Effect of hybridization time on fluorescence intensity

由圖8可知，熒光強度隨著孵育時間的延長而增強。當孵育時間達到60 min后，熒光強度降低，說明孵育時間在60 min左右HCR已經(jīng)幾乎達到飽和狀態(tài)，因此選擇60 min作為最佳雜交孵育時間。

2.4.4 GO質量濃度優(yōu)化

圖9 GO質量濃度對熒光強度的影響Fig. 9 Effect of GO concentration on fluorescence intensity

如圖9所示，當GO質量濃度小于50 μg/mL時，熒光信號逐漸降低；當質量濃度超過50 μg/mL時，熒光信號基本不再變化。因此GO的最佳質量濃度為50 μg/mL。

2.5 熒光信號響應與校準曲線

在上述最佳的實驗條件下研究了校準曲線和靈敏度。如圖10a所示，隨著一系列AFB1濃度的增加，熒光強度增加。圖10b顯示構建的基于AFB1適配體的HCR檢測系統(tǒng)的熒光強度與AFB1質量濃度之間的線性關系。結果顯示，AFB1在2～60 ng/mL范圍內具有良好的線性關系，相關系數(shù)R2=0.971，線性回歸方程為Y=755.28X＋49 448.17，檢測限為1.84 ng/mL。如表2所示，與其他快速檢測方法相比，本實驗具有較高的靈敏度。

圖10 不同質量濃度AFB1存在下CR的熒光強度（a）及其線性關系（b）Fig. 10 Fluorescence spectra of hybrid chain reaction at different concentrations of AFB1 (a) and linear relationship (b) between fluorescence intensity and AFB1 concentration

表2 現(xiàn)有檢測AFB1方法的靈敏度比較Table 2 Comparison of the sensitivity of currently available methods for the detection of AFB1

2.6 方法特異性實驗

如圖11所示，由于AFB1和AFB2分子結構具有較高相似性，該檢測方法基于構象識別的原理表現(xiàn)為對AFB2存在18.92%的交叉反應率，與其他真菌毒素無顯著交叉反應，表明方法的特異性強，可用于檢測AFB1。

圖11 CR檢測體系的特異性評價Fig. 11 Specificity evaluation of the HCR detection system

2.7 基于HCR的熒光檢測法檢測郫縣豆瓣樣品中的AFB1

通過向某個豆瓣樣品中添加AFB1標準溶液，使最終加標質量濃度分別為4、15、30 ng/mL，采用本實驗所建立的HCR法進行檢測，每個樣品做3 次平行實驗。如表3所示，本方法的加標回收率在85.73%～94.25%之間，相對標準偏差在3.24%～6.05%之間，表明該方法具有較好的準確度，可用于豆瓣樣品中AFB1的檢測。

表3 加標回收率（n=3）Table 3 Recoveries of AFB1in spiked samples (n= 3)

對購買于本地超市的12 種不同品牌的郫縣豆瓣樣品進行實際樣品的檢測分析，結果見表4。10 個樣品檢測出AFB1，平均污染水平為3.42 μg/kg，最高污染水平為4.50 μg/kg，與GB 5009.22—2016酶聯(lián)免疫吸附法相比，二者測定結果無顯著差異（P＞0.05）。所有樣品的檢測均未超出國標限量（5 μg/kg），說明這12 種來自不同品牌的郫縣豆瓣AFB1污染程度較小。

表4 郫縣豆瓣中AFB1測定（n=3）Table 4 AFB1contents in Pixian broad-bean paste determined by the developed method and the national standard method (n= 3)

3 結 論

本研究建立了基于AFB1核酸適配體的HCR熒光檢測方法。通過優(yōu)化實驗條件，最終確定cDNA濃度50 nmol/L；HP1和HP2濃度60 nmol/L；孵育時間60 min；GO質量濃度50 μg/mL。該方法的檢測限為1.84 ng/mL，線性范圍為2～60 ng/mL，R2=0.971。 該方法在實際樣品郫縣豆瓣中的加標回收率為85.73%～94.25%。該方法用于12 種不同品牌的郫縣豆瓣的檢測，10 個樣品檢測出AFB1，平均污染水平為3.42 μg/kg，最高污染水平為4.50 μg/kg，與GB 5009.22—2016酶聯(lián)免疫吸附法試劑盒檢測結果無顯著差異。本研究建立的檢測方法操作簡單，選擇性強，無需標記AFB1核酸適配體，不影響核酸適配體的結構變化，不干擾其與AFB1的結合。同時，采用HCR體系擴大信號，提高了檢測方法的靈敏度，為復雜基質樣品中AFB1的檢測提供了新的檢測方法。