孫瑩瑩,張佳佳,王 丹,王 蔚,郭勝男
(遼寧中醫(yī)藥大學(xué) 醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110847)
前列腺癌是男性最常見的癌癥之一,作為一種嚴(yán)重的泌尿系統(tǒng)疾病,其死亡率在男性癌癥中排第二位,對(duì)男性的健康狀況危害極大。早在1980 年,血清前列腺特異性抗原(Prostate specific antigen,PSA)就被認(rèn)為是前列腺癌早期診斷和治療中最重要的生物標(biāo)志物[1]。一般認(rèn)為PSA 正常值小于4 ng/mL,而癌癥患者血清中的PSA 含量高于10 ng/mL[2]。然而,有研究人員發(fā)現(xiàn),如果人血清中的PSA 含量上升到2 ng/mL 時(shí),患前列腺癌的風(fēng)險(xiǎn)就大大增加[3]。目前,許多檢測(cè)方法已用于分析血清PSA,如酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)[4]、化學(xué)發(fā)光免疫分析[5]、熒光免疫分析[6]和質(zhì)譜免疫分析[7]。雖然這些方法可提供可靠的測(cè)試結(jié)果,但檢測(cè)過程復(fù)雜、耗時(shí),價(jià)格昂貴,靈敏度不高。因此,快速、靈敏檢測(cè)血清中的PSA對(duì)前列腺癌的早期診斷具有重要意義。
電化學(xué)發(fā)光法(ECL)作為化學(xué)發(fā)光與電化學(xué)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,具有靈敏度高、背景低、操作簡(jiǎn)單、無污染等優(yōu)點(diǎn),目前被廣泛應(yīng)用于生化分析、食品農(nóng)藥檢測(cè)等領(lǐng)域[8-9]。在眾多的ECL 發(fā)光材料中,量子點(diǎn)以其獨(dú)特的高量子產(chǎn)率、低光漂白和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[10]。然而,一般的二元量子點(diǎn)多由Ⅱ~Ⅵ族(如CdSe、CdTe等)或Ⅳ~Ⅵ族(如PbSe、PbS等)元素組成,但重金屬元素存在毒性,嚴(yán)重限制了量子點(diǎn)在生化分析中的應(yīng)用[11]。近年來,有學(xué)者合成出四元Cu-Zn-In-S 半導(dǎo)體納米晶(NCs)[12]。作為一種無鎘型的量子點(diǎn),四元Cu-Zn-In-S除了具有優(yōu)異的光電性能、可調(diào)節(jié)的帶隙寬度等優(yōu)點(diǎn)外,還具有細(xì)胞毒性低、生物相容性好等特點(diǎn)[13-14]。因此,四元Cu-Zn-In-S 納米晶普遍應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域[15]。2018 年本課題組發(fā)現(xiàn),在共反應(yīng)劑存在的條件下,NCs 具有與二元量子點(diǎn)相似的發(fā)光信號(hào)[16],其發(fā)光信號(hào)穩(wěn)定,強(qiáng)度甚至高于傳統(tǒng)量子點(diǎn),這說明NCs 可在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)并產(chǎn)生激發(fā)態(tài)。
電化學(xué)發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移(ECL-RET)是一種基于電化學(xué)發(fā)光體與光譜匹配的能量受體之間的共振能量轉(zhuǎn)移的分析策略。這種分析手段具有靈敏度高、儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、不受散射光干擾等優(yōu)點(diǎn),因此在電化學(xué)生化分析領(lǐng)域具有極大潛力[17-19]。ECL-RET 發(fā)生的前提條件是發(fā)光體的發(fā)射光譜需與能量受體的吸收光譜有效重疊[20]。迄今為止,半導(dǎo)體納米晶和貴金屬納米粒子作為發(fā)光體/能量受體對(duì)獲得了廣泛的研究。例如,Shan 等[21]報(bào)道了Mn 摻雜的CdS 與AuNPs 兩者之間的ECL-RET,并將其用于DNA 的精準(zhǔn)檢測(cè)。He等[22]基于CdS量子點(diǎn)發(fā)光體與AuNP 能量受體之間的相互作用,構(gòu)建了一種靈敏檢測(cè)鉀離子的ECL-RET策略。
本文制備了一種四元Cu-Zn-In-S半導(dǎo)體納米晶,以其為ECL發(fā)光體,金納米星(AuNSs)作為猝滅探針,K2S2O8作為共反應(yīng)劑,發(fā)展了一種基于量子點(diǎn)ECL-RET的免疫傳感器用于PSA檢測(cè)的分析方法。在優(yōu)化條件下,該傳感器表現(xiàn)出較好的分析性能,用于人血清樣品中PSA 的檢測(cè),所得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)發(fā)光法基本吻合,相對(duì)誤差較小,結(jié)果準(zhǔn)確度良好,具有極好的臨床應(yīng)用前景。
紫外可見吸收光譜由UV-2100 型紫外-可見分光光度計(jì)(北京瑞利公司)獲得;熒光發(fā)射光譜由日立F-7000 熒光分光光度計(jì)(日本)記錄;日立H-7650 透射電子顯微鏡(TEM)用于納米材料的形貌表征;電化學(xué)阻抗譜(EIS)由CHI 660B 電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)記錄,電解質(zhì)溶液由5 mmol/L 的K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](1∶1)混合溶液組成,在電位Eo=0.17 V 下進(jìn)行,頻率范圍從0.01 Hz到100000 Hz;電化學(xué)發(fā)光數(shù)據(jù)在MPI-E型電化學(xué)發(fā)光檢測(cè)儀(西安瑞邁分析儀器有限責(zé)任公司)上獲取,PMT為800 V,放大倍數(shù)為3。
Anti-PSA Ab1(PSA 抗體1)、Anti-PSA Ab2(PSA 抗體2)、PSA 抗原、牛血清蛋白(BSA)、甲胎蛋白(AFP)、癌胚抗原(CEA)購(gòu)于上海生工生物工程公司;臨床血清樣本由遼寧中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院提供;多壁碳納米管(MWNTs,≥99%,直徑10~30 nm)購(gòu)自深圳納米港有限公司;1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺(EDC,98%)和N-羥基丁二酰亞胺(NHS,97%)購(gòu)自Alfa Aesar 公司;1-十八烯(ODE,90%)、醋酸銦(99.99%)、乙酸亞銅、十二烷基硫醇(DDT,99.99%)、油酸(99%)、醋酸鋅(99.99%)、油胺(97%)、硫粉(99.98%)、殼聚糖(CHIT,分子量100000~300000,脫乙酰度>95%)均從Sigma-Aldrich 獲得;氯金酸(HAuCl4)等其他分析純?cè)噭┵?gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。所有試劑使用時(shí)未進(jìn)行純化。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。PBS緩沖液pH 值均為7.4,濃度為0.1 mol/L。除特別提及,所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。
通過一鍋法合成四元Cu-Zn-In-S 半導(dǎo)體納米晶[16](NCs)。室溫下,將乙酸亞銅(2 mg,0.1 mmol)、醋酸鋅(18 mg,0.1 mmol)、醋酸銦(29 mg,0.1 mmol)、十二烷基硫醇(DDT,2 mmol)和油酸(0.6 mmol)以及4 mL 1-十八烯(ODE)放入三頸燒瓶中。向體系中不間斷通入惰性氣體(氬氣),同時(shí)將燒瓶加熱至210 ℃,直至形成透明溶液。然后,將溶解于0.5 mL 油胺中的硫溶液(0.3 mmol)快速注入上述混合物中,反應(yīng)10 min,再加熱至230 ℃反應(yīng)5 min。顆粒生長(zhǎng)完成后,將反應(yīng)混合物冷卻至室溫,加入10 mL己烷。用甲醇連續(xù)萃取去除副產(chǎn)物,直至甲醇相澄清。
通過對(duì)合成的NCs 表面配體的替換實(shí)現(xiàn)納米晶的相轉(zhuǎn)移[23]。將上述NCs 沉淀溶解于2 mL 氯仿中,加入2 mL 含3-巰基丙酸(MPA)的水溶液,劇烈攪拌2 h 后,對(duì)該溶液進(jìn)行反復(fù)離心提純,去除多余的MPA。所得水溶性NCs儲(chǔ)存于4 ℃下冰箱中待用。
采用Liu 等[24]提出的方案一步合成金納米星(AuNSs):配制100 mmol/L 4-羥乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)溶液,并用1 mol/L NaOH 將pH 值調(diào)節(jié)至7.4 ± 0.1。然后,將4 mL 上述HEPES 與3 mL 水混合,在37 ℃下加入150μL 10 mmol/L 的HAuCl4溶液。在靜置狀態(tài)下反應(yīng)30 min,溶液顏色從淺黃變?yōu)榈?,最后變?yōu)樗{(lán)綠時(shí),表明AuNSs已形成。
Ab2-AuNSs 的制備:取3 mL AuNSs 溶液,加入一定量的1% K2CO3溶液調(diào)節(jié)pH 值后,緩慢加入12μg/mL的Ab2抗體,攪拌反應(yīng)40 min后,加入100μL 10%BSA 封閉30 min后,將溶液置于離心機(jī)內(nèi)離心20 min(4 ℃,10000 r/min),棄去上清液,沉淀物用PBS重懸,置于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
ECL-RET傳感器的構(gòu)建過程如圖1所示:將5.0 mg CHIT溶解于5 mL 0.05 mol/L的HCl溶液中,用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至7.0,配制成1.0 mg/mL的CHIT溶液。稱取酸化后的MWNTs 1.0 mg加入到1 mL上述CHIT溶液中,超聲分散1 h,得到均勻分散的MWNTs-CHIT混合體系。將玻碳電極(GCE)表面處理干凈后,采用滴涂法取6μL MWNTs-CHIT溶液滴至GCE表面,室溫晾干,使其形成一層均勻致密的薄膜。隨后將含有10 mg/mL EDC 和20 mg/mL NHS 的8μL NCs 溶液滴涂于上述GCE/MWNTs-CHIT 表面,得到GCE/MWNTs-CHIT/NCs電極。室溫干燥后,將10μL Ab1(10μg/mL)滴加到電極表面,4 ℃下孵育2 h后,用PBS洗滌,并用BSA溶液封閉非特異性結(jié)合位點(diǎn)。反應(yīng)進(jìn)行1 h后,將不同濃度的PSA底液滴加到上述修飾電極表面,37 ℃恒溫孵育1 h。進(jìn)一步加入10μL的Ab2-AuNSs(10μg/mL)溶液,以形成三明治夾心結(jié)構(gòu),得到GCE/MWNTs-CHIT/NCs/Ab1/PSA/Ab2-AuNSs。采用電化學(xué)交流阻抗法研究其組裝過程,電化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)不同PSA濃度下傳感器發(fā)光信號(hào)的變化,從而實(shí)現(xiàn)PSA濃度的定量檢測(cè)。
圖1 ECL-RET傳感器檢測(cè)PSA 的示意圖Fig.1 ECL-RET immunoassay schematic for PSA detection
通過一鍋法合成出的NCs不僅具有優(yōu)異的發(fā)光效率,而且可以通過改變Zn/In的比例得到不同發(fā)射波長(zhǎng)的量子點(diǎn)。若將Zn/In 比設(shè)定為1/1,得到的NCs熒光發(fā)射波長(zhǎng)為690 nm(圖2曲線a)。用透射電鏡(TEM)對(duì)NCs形貌進(jìn)行表征(圖3A),可看出,NCs具有單分散特性,平均直徑為(4.6±0.5)nm。實(shí)驗(yàn)所用AuNSs 通過一步合成法制備,即向HAuCl4溶液中加入特定的還原劑(HEPES)后一步生成金納米星。圖3B為AuNSs 的透射電鏡圖,從圖中可看出,晶體表面有多個(gè)尖端,屬于典型的星狀結(jié)構(gòu),其直徑約為(35 ± 5)nm,尖端長(zhǎng)度約15 nm。通過對(duì)其紫外可見吸收光譜圖進(jìn)行分析(圖2 曲線b),發(fā)現(xiàn)AuNSs 具有兩個(gè)明顯的LSPR 峰,其中一個(gè)較強(qiáng)的縱向吸收峰在670 nm 處,另外一個(gè)較弱的橫向吸收峰在520 nm處。當(dāng)與Ab2結(jié)合后,AuNSs的縱向吸收峰發(fā)生明顯紅移,峰位出現(xiàn)在690 nm處(圖2曲線c)。同時(shí),兩個(gè)吸收峰的峰寬也略有增加,這表明AuNSs 與Ab2 成功結(jié)合[25]。紅移后AuNSs 的縱向吸收光譜與NCs的熒光發(fā)射光譜重疊,確保了AuNSs與NCs之間發(fā)生ECL-RET的可能。
圖2 NCs(a)的熒光發(fā)射光譜,及AuNSs(b)、Ab2-AuNSs(c)的紫外可見吸收光譜Fig.2 Fluorescence spectrum of Cu-Zn-In-S NCs(a),UV-Vis absorption spectra of AuNSs(b)and Ab2-AuNSs(c)
圖3 NCs(A)及AuNSs(B)的TEM圖Fig.3 TEM images of NCs(A)and AuNSs(B)
在電極的組裝過程中,首先將修飾了NCs的MWNTs-CHIT作為納米基底固載Ab1,隨后利用三明治夾心免疫反應(yīng)將修飾AuNSs 的二抗(Ab2-AuNSs)組裝到電極表面,AuNSs 與電極表面的NCs 發(fā)生能量轉(zhuǎn)移,NCs 的ECL 信號(hào)被猝滅,通過測(cè)定NCs 的電化學(xué)發(fā)光信號(hào)情況,可定量檢測(cè)底液中的PSA 濃度。采用電化學(xué)交流阻抗法(EIS)對(duì)上述ECL-RET免疫傳感器的組裝過程進(jìn)行跟蹤表征。如圖4所示,裸GCE 的阻抗譜近乎直線(曲線a),表明該電極Ret很小。當(dāng)將MWNTs-CHIT 和NCs 修飾在電極表面后,Ret稍有增加(曲線b),說明MWNTs-CHIT/NCs薄膜能夠阻礙電極表面的電子轉(zhuǎn)移。隨后,在GCE/MWNTs-CHIT/NCs上修飾Ab1和BSA,EIS半圓大幅度增加,Ret增大(曲線c),這是由于蛋白質(zhì)的絕緣效應(yīng)阻礙了電子傳遞。而當(dāng)PSA被Ab1捕獲和加入Ab2-AuNSs后,電阻進(jìn)一步增大(曲線d、e),說明電極表面形成了穩(wěn)定的三明治結(jié)構(gòu),傳感器成功構(gòu)建。
圖4 不同修飾電極的EIS譜Fig.4 EIS curves of modified GCE at different stagesa:bare GCE,b:GCE/MWNTs-CHIT/NCs,c:GCE/MWNTs-CHIT/NCs/Ab1,d:GCE/MWNTs-CHIT/NCs/Ab1/PSA,e:GCE/MWNTs-CHIT/NCs/Ab1/PSA/Ab2-AuNSs
為驗(yàn)證該方案的可行性,考察了ECL-RET免疫傳感器在檢測(cè)PSA前后的ECL信號(hào)變化(圖5)。在共反應(yīng)劑K2S2O8存在下,當(dāng)電極表面未檢出PSA時(shí),傳感器產(chǎn)生強(qiáng)烈的發(fā)光信號(hào)(曲線a),發(fā)光強(qiáng)度為3301 a.u.,信號(hào)非常穩(wěn)定,說明NCs 在電極表面形成的薄膜可作為發(fā)光體構(gòu)筑ECL-RET 免疫傳感器。當(dāng)PSA存在時(shí),傳感器的ECL急劇下降(曲線b),發(fā)光強(qiáng)度僅為402 a.u.,猝滅效率高達(dá)88%。表明PSA 存在時(shí),抗體之間形成穩(wěn)定的三明治夾心結(jié)構(gòu),Ab2-AuNSs 被成功組裝到電極表面,NCs 與AuNSs 之間產(chǎn)生有效的RET 效應(yīng),從而發(fā)生ECL 信號(hào)的猝滅。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過測(cè)定傳感器ECL 信號(hào)的變化實(shí)現(xiàn)溶液中PSA含量的檢測(cè)是切實(shí)可行的。
圖5 不同電極在5 mmol/L K2S2O8 溶液中的ECL圖Fig.5 ECL curves of different electrodes in 5 mmol/L K2S2O8a:GCE/MWNTs-CHIT/NCs/Ab1,b:GCE/MWNTs-CHIT/NCs/Ab1/PSA/Ab2-AuNSs,c:GCE/CHIT/NCs/Ab1
為證明MWNTs 在ECL-RET 免疫體系中的信號(hào)放大的作用,進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。采用CHIT 作為基底直接固載NCs,從圖中可以看到,GCE/CHIT/NCs/Ab1 的ECL 信號(hào)明顯低于GCE/MWNTs-CHIT/NCs/Ab1(曲線c),其發(fā)光強(qiáng)度僅為1815 a.u.,說明以MWNT作為固定化基底不僅可增大電極的比表面積,使Ab1 的負(fù)載量成倍增加,而且由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性和生物相容性,能夠最大程度地保持抗體活性,增加電子轉(zhuǎn)移速率,具有很強(qiáng)的信號(hào)放大作用。
為選擇合適的pH值,實(shí)驗(yàn)考察了pH值對(duì)ECL猝滅效率的影響,如圖6A所示,隨著pH值的增加,傳感器的ECL猝滅效率逐漸升高,而當(dāng)pH值大于7.4時(shí),猝滅效率大幅度降低。實(shí)驗(yàn)選擇pH 7.4為最佳酸度。
圖6 不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)傳感器性能的影響Fig.6 Effect of different experimental conditions on ECL quenching efficiency of the proposed immunosensing systemA:pH value of PBS,B:volume of MWNTs-CHIT;C:concentration of K2S2O8
研究了MWNTs-CHIT 的滴涂量對(duì)傳感器性能的影響(圖6B)。結(jié)果顯示,當(dāng)MWNTs-CHIT 體積從2.0μL 增加到6.0μL 時(shí),ECL 的猝滅效率逐漸增加,當(dāng)體積大于6.0μL 后,猝滅效率反而急劇下降。這是因?yàn)镸WNTs 能夠有效增加電極的比表面積,提高電子轉(zhuǎn)移速率,但過量的MWNTs 會(huì)導(dǎo)致ECL背景信號(hào)的增加,電子轉(zhuǎn)移速率反而降低。因此實(shí)驗(yàn)采用6.0μL作為MWNTs-CHIT的成膜體積。
進(jìn)一步考察不同濃度K2S2O8對(duì)信號(hào)的影響(圖6C)。結(jié)果顯示,隨著K2S2O8濃度從1 mmol/L 增加到5 mmol/L,ECL的猝滅效率持續(xù)升高,當(dāng)濃度超過5 mmol/L,猝滅效率呈下降趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)選擇5 mmol/L作為K2S2O8的最佳濃度。
在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,利用制備的ECL-RET 免疫傳感器對(duì)不同濃度的PSA 進(jìn)行定量檢測(cè),結(jié)果如圖7A所示。隨著PSA濃度的增大,ECL強(qiáng)度逐漸減弱,當(dāng)PSA的濃度在0.01~150 ng/mL之間時(shí),ECL猝滅效率與logc呈良好的線性關(guān)系,擬合方程為ΔIECL= 0.4513 logc+ 0.1883(r2= 0.998),檢出限(S/N=3)為0.03 ng/mL。與文獻(xiàn)相比[26-29],該傳感器表現(xiàn)出較寬的檢測(cè)范圍和較低的檢出限,表明該傳感器在PSA檢測(cè)中具有突出潛力。
通過對(duì)孵育50 ng/mL PSA 后的傳感器進(jìn)行連續(xù)掃描300 s測(cè)定其穩(wěn)定性,結(jié)果顯示,ECL信號(hào)無明顯變化(RSD=1.1%),表明該傳感器具有優(yōu)良的穩(wěn)定性。為了考察ECL-RET 免疫傳感器對(duì)PSA 的特異性,本實(shí)驗(yàn)選擇牛血清白蛋白(BSA)、甲胎蛋白(AFP)和癌胚抗原(CEA)作為可能的干擾蛋白進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(如圖7B)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)上述干擾蛋白對(duì)傳感器的檢測(cè)干擾幾乎可以忽略。在相同實(shí)驗(yàn)條件下,傳感器檢測(cè)純樣品和混合干擾蛋白樣品的ECL猝滅效率基本一致,說明傳感器具有較高的選擇性。
圖7 不同濃度PSA的ECL響應(yīng)曲線(A)及ECL-RET傳感器的選擇性(B)Fig.7 ECL responses of ECL-RET immunosensor with different concentrations of PSA(A),and selectivity of ECL-RET immunosensor(B)inset:calibration plot of ECL quenching efficiency with logarithmic value of PSA concentration
為了評(píng)價(jià)ECL-RET 免疫傳感器在臨床PSA 檢測(cè)中的可行性,將傳感器用于成年男性血清樣本中PSA 濃度的檢測(cè),結(jié)果如表1 所示。臨床血清樣本按照以下程序制備[30]:將5 mL 全血放入試管中以3000 r/min 離心10 min,然后將血清等量轉(zhuǎn)移至1.5 mL 試管中備用。分別用常用的化學(xué)發(fā)光法[31]和ECL-RET免疫傳感器法對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),ECL-RET免疫傳感器的測(cè)試結(jié)果與常用方法吻合,相對(duì)誤差范圍為-7.2%~6.0%,說明該方法對(duì)人血清樣本中的PSA 抗原具有良好的準(zhǔn)確性,該方法具有較好的臨床應(yīng)用前景。
表1 利用ECL-RET與化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)人血清樣本中PSA的數(shù)據(jù)比較Table 1 Comparison of ECL-RET immunosensor with chemiluminescence(CL)immunoassay for clinical PSA detection
本文首次基于NCs(發(fā)光體)與AuNSs(受體)的ECL-RET,采用K2S2O8作為共反應(yīng)劑,制備了一種高靈敏檢測(cè)PSA 的猝滅型ECL 免疫傳感器。首先,利用一鍋法合成四元Cu-Zn-In-S 納米晶(NCs),并將其作為發(fā)光體固載于修飾了MWNTs的基底表面。該電極表現(xiàn)出極強(qiáng)的初始ECL信號(hào)和較低的ECL電位。隨后,利用三明治夾心免疫反應(yīng)將PSA 和修飾了AuNSs 的二抗(Ab2-AuNSs)組裝到電極表面,通過AuNSs 與NCs 之間的有效ECL-RET,使得電極的ECL 信號(hào)顯著下降,從而實(shí)現(xiàn)PSA 的檢測(cè)。該傳感器不僅靈敏度高、檢測(cè)范圍寬,還具有選擇性好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。將該方法應(yīng)用于人血清樣本檢測(cè),其準(zhǔn)確率高、誤差小,為臨床PSA的檢測(cè)提供了一種新方法。