董永貞，陳 瑞，吳紫荊，陳翊平,2,,*，潘 暉，劉明軍

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室，廣東 廣州 510000；3.荊州市食品藥品檢驗所，湖北 荊州 434000）

世界衛(wèi)生組織在2003年將食品安全問題列為全球公共衛(wèi)生十大威脅之一，其中由食源性致病菌引起的食源性疾病占全球食品安全事件總數(shù)的45%以上[1-2]。目前食源性致病菌主要包括沙門氏菌（Salmonella）、副溶血性弧菌、單核細(xì)胞性李斯特菌、空腸彎曲菌、大腸桿菌O157:H7、金黃色葡萄球菌、志賀氏菌等[3]。其中，沙門氏菌是一種革蘭氏陰性桿菌，已發(fā)現(xiàn)的血清型多達(dá)兩千余種，能夠在食品基質(zhì)中存活數(shù)月之久，常存在于雞蛋雞肉中，也能夠在海產(chǎn)品、鮮牛奶、新鮮瓜果蔬菜等食物中存活，并且在進(jìn)行生長繁殖過程中會分泌出內(nèi)毒素，即使通過加熱也只能殺死細(xì)菌并不能破壞細(xì)菌分泌出的毒素[4-6]。沙門氏菌引發(fā)的食品安全事件一直高居不下。據(jù)報道，每年全世界大約有30多萬例沙門氏菌感染病例[7]。人體感染少量沙門氏菌即可引發(fā)惡心、嘔吐、腹瀉等癥狀，尤其對于老人、幼童、孕婦等免疫力低下者極易感染，可引起呼吸急促、發(fā)熱、腦膜炎甚至死亡，具有傳播媒介多、途徑廣、危害性大的特點[8-9]。因此，沙門氏菌的有效監(jiān)控是防控食源性疾病的重要環(huán)節(jié)，對保障人體健康具有重要意義。

目前，沙門氏菌的檢測方法主要分為3 類[10-11]：1）分離培養(yǎng)-生化鑒定法[12]；2）免疫學(xué)分析方法[13]，包括酶聯(lián)免疫吸附法和膠體金免疫層析法等；3）分子生物學(xué)方法[14-16]等。但以上方法在一定程度上存在增菌時間長、干擾因素多、樣品前處理復(fù)雜等問題，均難以滿足在食品生產(chǎn)、加工、儲運(yùn)等環(huán)節(jié)中現(xiàn)場快速準(zhǔn)確檢測的需求。而生物傳感器因其簡便性好、分析速度快等優(yōu)點在沙門氏菌檢測中備受關(guān)注[17-19]。其中，磁弛豫（magnetic relaxation switching，MRS）免疫傳感器是近年來發(fā)展迅速的生物傳感分析方法之一，在復(fù)雜樣品中的病原體檢測方面發(fā)揮著越來越重要的作用[20-24]，但傳統(tǒng)的MRS免疫傳感器是基于磁顆粒狀態(tài)的改變，易受食品基質(zhì)影響，引起非特異性聚集。Wang Zhilong等[25]在前期工作中開發(fā)了一種基于順磁離子Mn價態(tài)轉(zhuǎn)換的MRS生物傳感器。在該傳感器中，順磁離子制備簡單，在溶液中穩(wěn)定性高，有效解決了磁顆粒非特異性聚集這一問題。但該工作中使用的信號放大元件為生物酶-堿性磷酸酶，生物酶的催化活性易受環(huán)境條件的影響，難以回收和循環(huán)利用，制備和純化的成本高、穩(wěn)定性較低（變性和失活）。隨著納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，納米酶的出現(xiàn)和研發(fā)為解決上述難題提供了有效途徑。納米酶易于制備且自身結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性，成本遠(yuǎn)低于天然酶，對環(huán)境變化的耐受性更強(qiáng)，并且易于功能化修飾[26-29]，在食品安全檢測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。在眾多納米酶中，鉑殼金核（Au@Pt）納米酶因其高效的類過氧化物酶活性備受關(guān)注[30]，可有效替代天然的辣根過氧化物酶（horseradish peroxidase，HRP）。

圖1 Au@Pt-MRS免疫傳感器檢測沙門氏菌的原理圖Fig.1 Schematic diagram of Au@Pt-MRS immunosensors for the detection of Salmonella

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗用菌為腸炎沙門氏菌（Salmonella entericaATCC 14028）、單核細(xì)胞性李斯特菌（Listeria monocytogenesATCC 19114）、大腸桿菌（Escherichia coliATCC 25922）和金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，ATCC 29213）。所有菌株都用25%甘油保存于-80 ℃冰箱。

氯鉑酸（H2PtCl6· 6 H2O）、氯金酸（HAuCl4·3H2O） 美國Sigma公司；聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，PVP）、抗壞血酸、檸檬酸三鈉、牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亞胺鹽酸鹽（N-(3-dimethylaminopropyl)-N′-ethylcarbodiimide hydrochloride，EDC）、N-羥基琥珀酰亞胺（N-hydroxysuccinimide，NHS） 上海阿拉丁生化科技有限公司；羧基修飾的180 nm超順磁納米顆粒（MNP180，10 mg/mL） 上海奧潤微納新材料科技有限公司；沙門氏菌抗體（捕獲抗體（Ab1）和檢測抗體（Ab2）） 美國GeneTex公司；胰蛋白胨大豆肉湯（trypticase(tryptic) soy broth，TSB）、胰蛋白胨大豆瓊脂（trypticase(tryptic) soy agar，TSA）青島海博生物技術(shù)公司；四甲基聯(lián)苯胺（3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine，TMB）顯色液（ELISA HRP顯色用） 上海碧云天生物技術(shù)有限公司；細(xì)菌基因組DNA提取試劑盒 北京莊盟國際生物基因科技有限公司；用于實時聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（real-time polymerase chain reaction，real-time PCR）的引物序列：正向引物（5’-TCG CAC CGT CAA AGG AAC CGT AAA GC-3’），反向引物（5’-GCA TTA TCG ATC AGT ACC AGC CGT CT-3’），由生工生物工程（上海）股份有限公司合成；real-time PCR預(yù)混液 Takara生物技術(shù)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

0.47 T低場核磁共振儀 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；便攜式磁分離架 美國Ocean NanoTech公司；Microfuge 16臺式離心機(jī) 貝克曼庫爾特國際貿(mào)易（上海）有限公司；MS104TS/02電子分析天平 梅特勒-托利多國際貿(mào)易（上海）有限公司；JEM-2100F透射電子顯微鏡 日本JEOL公司；MKX-X1G1A型微波爐合成儀 青島邁可威微波創(chuàng)新科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 菌株活化和培養(yǎng)

將凍存的腸炎沙門氏菌在TSA培養(yǎng)基平板上劃線37 ℃培養(yǎng)24 h。挑取單個典型菌落到TSB液體培養(yǎng)基中，37 ℃恒溫振蕩（180 r/min）培養(yǎng)24 h。取0.1 mL上述細(xì)菌的純培養(yǎng)物梯度稀釋液在37 ℃孵育24 h后，通過常規(guī)平板計數(shù)法確定細(xì)菌數(shù)，結(jié)果以CFU/mL表示。最終用磷酸鹽緩沖液（phosphate buffer solution，PBS）進(jìn)行稀釋備用。

1.3.2 Au@Pt納米酶的制備

將200 μL HAuCl4（48 mmol/L）和9.8 mL超純水加入微波合成儀的反應(yīng)釜中，在100 ℃微波加熱下，保持沸騰1 min。然后開啟磁力攪拌，一次性迅速加入1 mL的檸檬酸鈉溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%），在100 ℃保持4 min，隨后冷卻至室溫，得到紅色的Au納米顆粒懸浮液。取200 μL的Au納米顆粒與800 μL超純水混合，加入50 μL的PVP（mw=10 kDa，質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%），37 ℃旋渦振蕩5 min。然后將40 μLL-抗壞血酸（100 mg/mL）和40 μL氯鉑酸溶液（100 mmol/L），加入混合物，并立即在65 ℃孵育1 h直至溶液的顏色從紅色變?yōu)樽厣?黑色，表明鉑沉積成功。將制備的Au@Pt納米酶離心洗滌3 次，然后重懸于1 mL超純水中備用。

1.3.3 MNP180-Ab1偶聯(lián)物的制備

將2 mg MNP180用MEST（10 μmol/L MES，pH 6.0，0.05%吐溫20）洗滌兩次并重懸，然后加入80 μL EDC（5 mg/mL）和40 μL NHS（5 mg/mL），在37 ℃活化15 min。磁分離并用PBST（PBS加0.05%吐溫20）重懸。在活化的MNP180中加入50 μg Ab1，混合均勻后在37 ℃緩慢振蕩反應(yīng)2 h。磁分離除去上清液后，加入500 μL含1% BSA的PBST溶液，封閉30 min。磁分離并清洗4 次后，將制備的MNP180-Ab1偶聯(lián)物分散于含0.5% BSA的1 mL PBST中，保存于4 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.3.4 Au@Pt-Ab2偶聯(lián)物的制備

將Au@Pt納米酶溶液的pH值用0.01 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)至8～9，取1 mL Au@Pt納米酶溶液加入20 μg Ab2，在4 ℃緩慢振蕩反應(yīng)5 h。然后，加入500 μL含1% BSA的PBST溶液，4 ℃孵育12 h。離心洗滌后，收集Au@Pt-Ab2偶聯(lián)物，并將其分散于含0.5% BSA的1 mL PBST中，保存于4 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.3.5 Au@Pt-MRS免疫傳感器用于食源性沙門氏菌的快速檢測

將100 μL MNP180-Ab1（0.05 mg/mL）與200 μL不同濃度的沙門氏菌液（50～5×107CFU/mL）混合均勻，在37 ℃渦旋反應(yīng)20 min，磁分離除上清液。用PBST洗滌3 次并重懸，加入100 μL Au@Pt-Ab2，并在37 ℃渦旋20 min。磁分離，用PBST洗滌3 次，加入200 μL H2O2（4 mmol/L）反應(yīng)10 min。磁分離，取100 μL反應(yīng)液加入到100 μL KMnO4（2.5 mmol/L）和100 μL H2SO4（1 mmol/L）溶液中，常溫反應(yīng)5 min后，測混合液的橫向弛豫時間（T2）值。

1.3.6 Au@Pt-MRS免疫傳感器用于雞蛋中沙門氏菌的定量分析

取10 g經(jīng)GB 4789.4—2010《食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗 沙門氏菌檢驗》檢測為沙門氏菌陰性的雞蛋液樣品，加入到89 mL無菌生理鹽水（0.9% NaCl）中混合均勻。加入用生理鹽水稀釋的沙門氏菌1 mL，使其終濃度分別為102、104、106CFU/mL，最后用Au@Pt-MRS免疫傳感器進(jìn)行加標(biāo)回收率測定。每個濃度平行測定3 次并求其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。

從市場上隨即購買20 份雞蛋樣品，取10 g雞蛋液加入到90 mL無菌生理鹽水（0.9% NaCl）中混合均勻，在37 ℃預(yù)增菌4 h后，分別使用Au@Pt-MRS免疫傳感器和real-time PCR方法進(jìn)行分析。

通過細(xì)菌基因組DNA提取試劑盒獲取目標(biāo)菌DNA，采用熒光染料法進(jìn)行real-time PCR實驗。real-time PCR系統(tǒng)體系為25 μL，其中包含預(yù)混液12.5 μL，目標(biāo)DNA模板1μL，雙蒸水10.5 μL，0.5 μL正向引物（10 μmol/L）和0.5 μL反向引物（10 μmol/L）。擴(kuò)增程序如下：1）95 ℃預(yù)變性5 min；2）35 個循環(huán)周期，包括95 ℃變性1 min；62 ℃退火1 min；72 ℃延伸1 min；3）72 ℃延伸8 min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel、Origin軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 Au@Pt納米酶的表征

通過透射電子顯微鏡對所合成的Au納米顆粒和Au@Pt納米酶的形態(tài)進(jìn)行觀察，如圖2A所示，Au納米顆粒在水中分散均勻，表面光滑，粒徑約為15 nm。在包裹上Pt殼之后，所得到的Au@Pt納米酶依舊具有良好的分散性，粒徑約為82 nm（圖2B）。顆粒中間的黑色部分為所包裹的Au核，整個顆粒表面變得粗糙多孔，具有類海膽結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的形成顯著增大了納米顆粒的表面積，有利于納米酶催化活性和催化效率的提高。本實驗進(jìn)一步測試了所合成的Au@Pt納米酶對H2O2催化性能（圖2C）。將系列不同濃度的Au@Pt納米酶加入到含有固定含量H2O2的TMB顯色液中，在室溫下避光孵育5 min后，觀察其顏色變化并通過酶標(biāo)儀測定其在650 nm波長處的光密度（OD650nm）。隨著Au@Pt納米酶濃度的增加，反應(yīng)液的OD650nm逐漸增大，證明Au@Pt具有高催化活性。同時，評價合成Au@Pt納米酶的穩(wěn)定性。將Au@Pt納米酶（115 pmol/L）和HRP（10 ng/mL）在25 ℃分別貯存不同時間（0、3、6、9 d）。如圖2D所示，Au@Pt納米酶在25 ℃貯存6 d時，其酶活性無顯著下降，貯存到9 d時，活性有輕微下降。而HRP在25 ℃貯存3 d后酶活性顯著降低，且時間越長，酶活性越低。結(jié)果表明所合成的Au@Pt納米酶具有良好的穩(wěn)定性和酶催化活性。綜上，本研究成功合成了具有核殼結(jié)構(gòu)的Au@Pt納米酶。

圖2 Au@Pt納米酶的表征Fig.2 Characterization of Au@Pt nanozyme

2.2 Au@Pt納米酶調(diào)控的H2O2-/Mn2＋信號轉(zhuǎn)化和讀出系統(tǒng)構(gòu)建

首先驗證了H2O2介導(dǎo)的/Mn2＋信號讀出體系的可行性。Mn2＋具有5 個不成對電子，能與周圍水分子之間發(fā)生空間偶極相互作用，具有較高的橫向弛豫效率和較強(qiáng)的磁信號。而中的錳為＋7價，無未成對軌道電子，基本無磁信號。因此，通過H2O2還原為Mn2＋可引起溶液磁信號的增強(qiáng)。將梯度濃度的H2O2與0.5 mmol/L酸性KMnO4（pH 3）反應(yīng)5 min，使用低場核磁共振儀對反應(yīng)液的T2進(jìn)行測定（n=3）。如圖3A所示，隨著H2O2濃度的增加，ΔT2（ΔT2=T2（H2O）-T2（樣品））逐漸增大，說明隨著H2O2濃度的增加，反應(yīng)體系中有更多的轉(zhuǎn)化為Mn2＋，引起磁信號的增強(qiáng)。結(jié)果表明H2O2介導(dǎo)的/Mn2＋信號讀出體系可用于生物傳感信號的讀出。

圖3 Au@Pt納米酶調(diào)控的H2O2-/Mn2+傳感系統(tǒng)驗證Fig.3 Au@Pt-nanozyme regulated H2O2-mediated /Mn2+biosensing system

本實驗進(jìn)一步將Au@Pt納米酶引入到H2O2-Mn2＋信號讀出系統(tǒng)中，將不同濃度的Au@Pt納米酶加入到固定濃度的H2O2溶液中，離心后通過H2O2-/Mn2＋信號讀出系統(tǒng)進(jìn)行測定。如圖3B所示，隨著Au@Pt納米酶濃度的增加，ΔT2逐漸減小，說明在高濃度Au@Pt納米酶條件下有更多的H2O2被分解，剩余H2O2變少，反應(yīng)體系中有更少的轉(zhuǎn)化為Mn2＋，磁信號減弱。因此，Au@Pt納米酶可與H2O2-/Mn2＋信號讀出系統(tǒng)結(jié)合，用于信號放大和轉(zhuǎn)化。

2.3 Au@Pt-MRS免疫傳感器的構(gòu)建

將上述H2O2-/Mn2＋信號轉(zhuǎn)化和讀出系統(tǒng)、Au@Pt納米酶信號放大器和免疫分析技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)一種新型的MRS免疫傳感器，用于沙門氏菌的快速檢測。在本傳感器中，MNP180-Ab1能夠通過免疫磁分離技術(shù)快速富集沙門氏菌，進(jìn)而與Au@Pt-Ab2結(jié)合形成雙抗夾心免疫復(fù)合物，使得Au@Pt納米酶含量與沙門氏菌濃度呈正相關(guān)。沙門氏菌濃度越高，Au@Pt納米酶含量越多，催化的H2O2越多，剩余H2O2越少，由轉(zhuǎn)化的Mn2＋則越少，由于Mn2＋具有很強(qiáng)的磁信號（T2值?。鵁o磁信號（T2值大），Mn2＋越少則引起T2值減小的程度越小，即T2樣品越大，因此，ΔT2’越大（ΔT2’=T2（樣品）-T2（空白）），最終實現(xiàn)沙門氏菌的定量分析。

首先對Au@Pt納米酶的酶催化反應(yīng)時間進(jìn)行優(yōu)化。如圖4A所示，催化反應(yīng)時間為10 min時，磁信號最強(qiáng)，而反應(yīng)時間為5 min或15 min時，磁信號較弱，這是由于Au@Pt納米酶對H2O2催化不完全或過度所導(dǎo)致。因此，本研究選擇10 min作為酶催化反應(yīng)時間用于后續(xù)實驗。

基于上述實驗結(jié)果，進(jìn)一步對MRS傳感器的靈敏度進(jìn)行評估（n=3），其中以沙門氏菌的最小可檢測濃度定義檢出限。如圖4B所示，在50～1×108CFU/mL范圍內(nèi)，值隨沙門氏菌濃度增加而增大，且在1×102～5×107CFU/mL范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的線性（圖4C），線性方程為Y=70.97X-64.8，R2=0.995（X為沙門氏菌濃度（lg（CFU/mL）），Y為ΔT2/ms），檢出限為50 CFU/mL。在Au@Pt-MRS免疫傳感器中，Au@Pt納米酶對H2O2的高效催化和H2O2對/Mn2＋的瞬時轉(zhuǎn)化體系有利于靈敏度的提高，Au@Pt納米酶本身的無機(jī)材料特性和Mn離子溶液的高信噪比有利于穩(wěn)定性的提高。

圖4 Au@Pt-MRS免疫傳感器檢測沙門氏菌的催化時間優(yōu)化（A）、標(biāo)準(zhǔn)曲線（B）、線性范圍（C）和特異性（D）Fig.4 Optimization of enzymatic catalysis time (A),and standard curve (B),linear range (C) and specificity (D) of Au@Pt-MRS immunosensor for the detection of S.enterica

2.4 Au@Pt-MRS免疫傳感器的特異性和準(zhǔn)確性評價

選擇單核細(xì)胞性李斯特菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌3 種常見的食源性致病菌作為沙門氏菌的干擾物進(jìn)行特異性實驗。所有致病菌濃度均為5×105CFU/mL，其他反應(yīng)條件保持一致。如圖4D所示，在最優(yōu)實驗條件下，只有沙門氏菌能夠引起磁信號的顯著變化，其他致病菌對磁信號的影響可忽略不計，證明該傳感器具有良好的特異性。

為測定Au@Pt-MRS免疫傳感器的準(zhǔn)確性，對Au@Pt-MRS免疫傳感器檢測雞蛋樣品中沙門氏菌的回收率進(jìn)行研究，如表1所示，Au@Pt-MRS免疫傳感器對雞蛋樣品中沙門氏菌的回收率為84.2%～102.0%，變異系數(shù)為6.57%～9.73%，證明本方法具有良好的準(zhǔn)確性。

表1 Au@Pt-MRS免疫傳感器檢測雞蛋樣品中沙門氏菌的回收率（n=3）Table 1 Recoveries of Au@Pt-MRS immunosensor for S.enterica in egg samples (n=3)

2.5 Au@Pt-MRS免疫傳感器檢測雞蛋樣品中的沙門氏菌

基于上述研究結(jié)果，考察Au@Pt-MRS免疫傳感器在實際樣品中的檢測能力。分別通過Au@Pt-MRS免疫傳感器和real-time PCR方法對隨機(jī)采購自當(dāng)?shù)厥袌龅?0 份雞蛋樣品進(jìn)行測定。圖5顯示，樣品3、4、8、11、13、14和18均呈現(xiàn)陽性，其他樣品為陰性。兩種方法檢測結(jié)果一致，且相關(guān)性良好。與real-time PCR方法相比，本研究所開發(fā)的Au@Pt-MRS免疫傳感器操作更為簡便、檢測效率更高、成本更低，在食源性致病菌的快速檢測方向具有良好的應(yīng)用潛力。

圖5 Au@Pt-MRS免疫傳感器檢測雞蛋樣品中的沙門氏菌Fig.5 Results of Au@Pt-MRS immunosensor for S.enterica in egg samples

3 結(jié)論

構(gòu)建了一種Au@Pt介導(dǎo)的MRS免疫傳感器，并用于雞蛋中沙門氏菌的快速檢測。在該傳感器中，Au@Pt納米酶代替生物酶進(jìn)行信號放大，有利于提高方法的靈敏度和穩(wěn)定性。而H2O2介導(dǎo)的MnO4-/Mn2＋信號讀出系統(tǒng)的高效傳導(dǎo)和高信噪比有利于方法檢測效率和靈敏度的提升。所構(gòu)建的Au@Pt-MRS免疫傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、檢測速度快等優(yōu)點，在食品安全快速檢測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。在后續(xù)工作中，將繼續(xù)完善納米酶的大規(guī)模制備技術(shù)及穩(wěn)定、高效的抗體-納米磁顆粒偶聯(lián)方法，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化工藝流程，提高檢測性能，為開發(fā)高效靈敏的食源性致病菌檢測試劑盒及產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。