CN102608092B - 高灵敏度的铜离子检测用荧光生物传感器及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
高灵敏度的铜离子检测用荧光生物传感器及其检测方法，涉及一种生物传感器及利用其对水中铜离子进行检测的方法。为了解决目前铜检测中灵敏度低、选择性差等问题，本发明的铜离子检测用荧光生物传感器由量子点、酶和酶底物制成，将酶加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化；将酶和不同浓度的铜离子先混合后再加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化，以相对荧光强度-铜离子浓度作图，计算得到铜离子的检测限。本发明工艺简单，价格低廉，反应条件温和，易操作，重现性好，是一种很有前景的检测技术，适用于环境中甚至生物体系铜离子的痕量检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种荧光生物传感器及利用其对水中铜离子进行检测的方法。
背景技术
由于工农业废弃物和城市生活垃圾的剧增以及农药和化肥的大量使用, 人类赖以生存的土壤、水体等环境遭受到了严重的重金属污染, 并呈加剧趋势。在所有重金属离子中，铜离子是一种重要的痕量元素，在各种生理环境中发挥着重要的作用。然而，过量摄入铜离子可能导致人体出现湿疹，危害人的肾脏和中枢神经系统。所以对环境和生物样品中铜离子的分析检测变得越来越重要。人们采用多种手段来检测痕量铜离子的浓度，比如原子吸收光谱法，电感耦合等离子体质谱( ICP-MS) 、离子交换色谱等技术、电化学法、化学发光、吸收光谱和比色法等。这些技术灵敏度高、特异性强，但存在着样品前处理较为复杂、仪器费用高和需要专业人员进行操作等缺陷, 难以用于重金属的现场检测。由于铜离子可以抑制酶的活性，很多学者采用酶生物传感器来检测铜离子。酶生物传感器是一种很有前景的技术，具有检测时间短，简便、样品用量少等优点。但是酶传感器的一个缺点就是检测限高，难以实现痕量样品的检测。
虽然很多方法可以用来检测铜离子，基于有机染料的荧光型传感器以其较高的灵敏度和操作简单的特点优于其他方法。然而，有机染料的缺点也很明显，比如信号强度低，容易光漂白，激发光谱窄，发射光谱宽，难以在同一个样品中同时分析不同的物质。
荧光量子点能够克服有机荧光染料遇到的上述问题，在化学和生物检测中发挥了越来越大的作用。这些纳米晶材料具有尺寸可调的光学性质、宽吸收、窄发射、高量子效率、光稳定性等特点。由于量子点的光学性质强烈依靠其表面特性，分析物和量子点表面发生相互作用会导致其光学性质的巨大变化。所以功能化量子点被广泛用来检测离子、分子、生物识别和生物催化等。量子点的一个引人注目的特性是对过氧化氢非常敏感，过氧化氢能腐蚀量子点，使其表面产生缺陷，因而导致量子点的荧光猝灭。过氧化氢是所有氧化酶催化底物后的产物，因此通过过氧化氢来控制量子点的光学特性可以用来测定氧化酶活性、底物或酶抑制剂。到目前为止，还没有采用量子点的荧光性质结合酶抑制法来检测重金属离子的报道。
发明内容
本发明的目的是利用量子点荧光检测的高灵敏度结合酶催化反应的高效、专一性，解决目前铜检测中灵敏度低、选择性差等问题，提供一种高灵敏度的铜离子检测用荧光生物传感器及其检测方法。
本发明的铜离子检测用荧光生物传感器由量子点、酶和酶底物制成，其中量子点浓度为10-7～10-3 mol/L，酶浓度为0.01～10U/mL，酶底物浓度为10-4 ～1 mol/L。
本发明按照如下步骤对水中铜离子进行检测：一、将酶加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化；二、将酶和不同浓度的铜离子先混合后再加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化，以相对荧光强度-铜离子浓度作图，计算得到铜离子的检测限；上述步骤中量子点浓度为10-7～10-3 mol/L，酶浓度为0.01～10U/mL，酶底物浓度为10-4 ～1 mol/L
本发明采用的量子点为CdSe、CdTe、CdS、PbS、CdSeZnS、CdSeCdS、CdSeS中的一种或几种的混合物；酶为甘油磷酸氧化酶、细胞色素C氧化酶、碱性磷酸酯酶、葡萄糖氧化酶、乙醇氧化酶、肌氨酸氧化酶、胆碱氧化酶、抗坏血酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶、谷胱甘肽氧化酶、D-氨基酸氧化酶中的一种；酶底物为甘油磷酸、细胞色素C、葡萄糖、甲醇、肌氨酸、胆碱、抗坏血酸、嘌呤、谷胱甘肽、D-氨基酸中的一种。
本发明具有以下优点：
一、本发明得到的检测铜离子的荧光生物传感器，由于量子点具有高的荧光量子产率，结合荧光检测的高灵敏度，使得检测灵敏度提高，检测限降低。
二、本发明得到的检测铜离子的荧光生物传感器，采用量子点荧光猝灭结合酶抑制法来检测铜离子，由于酶的活性被铜离子选择性猝灭，提高了检测的选择性。
三、本发明得到的检测铜离子的荧光生物传感器，是基于铜离子对酶活性的抑制作用，从而使量子点猝灭程度降低，荧光强度增强。与以往量子点检测主要是基于分析物对量子点的荧光猝灭作用相比，这种检测模式可以避免环境中其他分析物的干扰，提高检测的抗干扰能力。
四、本发明工艺简单，价格低廉，反应条件温和，易操作，重现性好，是一种很有前景的检测技术，适用于环境中甚至生物体系铜离子的痕量检测。
附图说明
图1表示在量子点溶液中加入酶和底物后，荧光光谱随反应时间的变化图。(a)为量子点初始荧光光谱；(b)为加入酶后的荧光光谱；(c-j)为在量子点和酶体系中加入底物1、3、4、5、6、7、8和10分钟后的荧光光谱。
图2表示在铜离子存在下，量子点、酶、底物体系的相对荧光强度随时间变化图。
图3表示荧光相对强度F/F0与铜离子浓度线性关系曲线。
图4表示本发明的生物传感器的抗干扰能力。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的铜离子检测用荧光生物传感器由量子点、酶和酶底物制成，其中量子点浓度为10-7～10-3 mol/L，酶浓度为0.01～10U/mL，酶底物浓度为10-4 ～1 mol/L。
本实施方式中，量子点为CdSe、CdTe、CdS、PbS、CdSeZnS、CdSeCdS、CdSeS中的一种或几种的混合物，其中CdSeZnS表示是一种核壳结构的量子点，CdSe为内核，外边包覆一层ZnS的量子点。
本实施方式中，酶为甘油磷酸氧化酶、细胞色素C氧化酶、碱性磷酸酯酶、葡萄糖氧化酶、乙醇氧化酶、肌氨酸氧化酶、胆碱氧化酶、抗坏血酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶、谷胱甘肽氧化酶、D-氨基酸氧化酶中的一种。
本实施方式中，酶底物为甘油磷酸、细胞色素C、葡萄糖、甲醇、肌氨酸、胆碱、抗坏血酸、嘌呤、谷胱甘肽、D-氨基酸中的一种。
具体实施方式二：本实施方式按照如下步骤对水中铜离子进行检测：一、将酶加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化。二、将酶和不同浓度的铜离子先混合后再加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化。以相对荧光强度-铜离子浓度作图，计算得到铜离子的检测限。其中量子点浓度为10-7～10-3 mol/L，酶浓度为0.01～10U/mL，酶底物浓度为10-4 ～1 mol/L。
本实施方式的两个步骤分别是酶促反应（以及酶活性的抑制）和量子点荧光猝灭，第一步是酶和底物反应产生产物过氧化氢，第二步是用上一步产生的过氧化氢去猝灭量子点的荧光（荧光降低），这样在酶促反应下得到量子点荧光的变化值（I）。
当环境中存在铜离子的时候，铜离子会抑制酶的活性，使第一步中产生的过氧化氢的量减少，进而参与到第二步中的过氧化氢量减少，量子点的荧光猝灭程度减小或不被猝灭，可得含有铜离子条件下的酶促反应使量子点荧光发生变化的变化值（II）
比较I和II，便可定性定量的检测出环境中是否有铜离子，有多少铜离子。
本实施方式中量子点为CdSe、CdTe、CdS、PbS、CdSeZnS、CdSeCdS、CdSeS中的一种或几种的混合物；酶为甘油磷酸氧化酶、细胞色素C氧化酶、碱性磷酸酯酶、葡萄糖氧化酶、乙醇氧化酶、肌氨酸氧化酶、胆碱氧化酶、抗坏血酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶、谷胱甘肽氧化酶、D-氨基酸氧化酶中的一种；酶底物为甘油磷酸、细胞色素C、葡萄糖、甲醇、肌氨酸、胆碱、抗坏血酸、嘌呤、谷胱甘肽、D-氨基酸中的一种。
具体实施方式三：本实施方式的铜离子检测用荧光生物传感器中量子点浓度为3.9 × 10-5 mol/L，酶浓度为1U/mL，酶底物浓度为4.92× 10-3mol/L。
本实施方式中，当酶和底物加入量子点溶液中后，量子点的荧光明显降低，如图1所示。但酶和底物本身对量子点荧光强度没有明显影响，如图1(b)所示，因此量子点荧光猝灭应该是由于酶催化底物产生的过氧化氢导致的。
具体实施方式四：本实施方式的铜离子检测用荧光生物传感器中量子点浓度为3.9 × 10-5 mol/L，酶浓度为0.1U/mL，酶底物浓度为2.46× 10-3mol/L，铜离子浓度分别为0、0.24 ng/mL、0.96 ng/mL、1.44 ng/mL、1.92 ng/mL、2.4 ng/mL。
本实施方式中，加入铜离子后，酶活性降低，因此量子点荧光猝灭被抑制，即相对荧光强度（F/F0，F和F0分别代表加入甲醇前后量子点的荧光强度）升高。如图2所示。且随着铜离子浓度增加，抑制效果越显著，F/F0值越大。当铜离子浓度为2.4 ng/mL时，F/F0接近于1，说明酶活性基本被完全抑制。铜离子浓度在0 ~2.4 ng/mL范围内，相对荧光强度F/F0与铜离子浓度呈现线性关系，如图3所示，当信噪比=3时，我们得出此荧光生物传感器的检测限为0.176 ng/mL，远远低于美国环境保护局规定的饮用水中铜离子的最高含量1.3 μg/mL。
具体实施方式五：本实施方式的荧光生物传感器由量子点、酶、底物、铜离子和其他干扰离子制成，其中量子点浓度为3.9 × 10-5 mol/L，酶浓度为0.1U/mL，底物浓度为2.46× 10-3 mol/L，铜离子浓度为2.4ng/mL，Hg2+浓度为24ng/mL，其余离子浓度为240ng/mL。
本实施方式中，当其他干扰离子和铜离子共存时，酶活性被大大抑制。但如果只存在干扰离子时，酶活性变化不大，如图4所示。表明这种生物传感器对铜离子具有很好的选择性，高于其他碱金属、碱土金属和重金属离子。
具体实施方式六：本实施方式按照如下步骤对水中铜离子进行检测：（一）将酶加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化。其中量子点是CdTe量子点，浓度3.9 × 10-5 mol/L，酶是乙醇氧化酶，浓度0.1U/mL，底物是甲醇，浓度为2.46mM。（二）将酶和不同浓度的铜离子先混合后再加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化。以相对荧光强度-铜离子浓度作图，计算得到铜离子的检测限。
具体实施方式七：本实施方式按照如下步骤对水中铜离子进行检测：（一）将酶加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化。其中量子点是CdTe量子点，浓度3.9 × 10-5 mol/L，酶是乙醇氧化酶，浓度0.1U/mL，底物是甲醇，浓度为2.46mM。（二）将0.1U/mL乙醇氧化酶分别与浓度为240ng/mL 的Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Zn2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cd2+，Pb2+ ，以及浓度为24ng/mL的Hg2+的背景离子混合。将存在和不存在2.4ng/mLCu2+的酶-金属离子混合物，加入到量子点溶液中，随后加入底物甲醇，测得量子点荧光强度的变化。存在Cu2+的情况下，乙醇氧化酶的活性被有效地抑制了，而仅存在背景离子的情况下，即使这些离子的浓度是Cu2+的100倍，对量子点荧光的影响也是非常小的。表明这种生物传感器对铜离子具有很好的选择性，高于其他碱金属、碱土金属和重金属离子。
具体实施方式八：本实施方式按照如下步骤对水中铜离子进行检测：（一）将葡萄糖氧化酶加入到CdSeZnS量子点溶液中，随后加入酶底物葡萄糖，测得量子点荧光强度的变化。其中量子点浓度5.0 × 10-4 mol/L，葡萄糖氧化酶浓度0.5U/mL，葡萄糖浓度为1mM。（二）将酶和不同浓度的铜离子先混合后再加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化。以相对荧光强度-铜离子浓度作图，计算得到铜离子的检测限。
具体实施方式九：本实施方式按照如下步骤对水中铜离子进行检测：（一）将甘油磷酸氧化酶加入到CdS量子点溶液中，随后加入酶底物甘油磷酸，测得量子点荧光强度的变化。其中量子点浓度7.5 × 10-6 mol/L，甘油磷酸氧化酶浓度0.1 U/mL，甘油磷酸浓度为2 mM。（二）将酶和不同浓度的铜离子先混合后再加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化。以相对荧光强度-铜离子浓度作图，计算得到铜离子的检测限。
Claims (8)
1.高灵敏度的铜离子检测用荧光生物传感器，其特征在于所述荧光生物传感器由量子点、酶和酶底物制成，其中量子点浓度为10-7～10-3 mol/L，酶浓度为0.01～10U/mL，酶底物浓度为10-4 ～1 mol/L。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度的铜离子检测用荧光生物传感器，其特征在于所述量子点为CdSe、CdTe、CdS、PbS、CdSeZnS、CdSeCdS、CdSeS中的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度的铜离子检测用荧光生物传感器，其特征在于所述酶为甘油磷酸氧化酶、细胞色素C氧化酶、碱性磷酸酯酶、葡萄糖氧化酶、乙醇氧化酶、肌氨酸氧化酶、胆碱氧化酶、抗坏血酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶、谷胱甘肽氧化酶、D-氨基酸氧化酶中的一种。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度的铜离子检测用荧光生物传感器，其特征在于所述酶底物为甘油磷酸、细胞色素C、葡萄糖、甲醇、肌氨酸、胆碱、抗坏血酸、嘌呤、谷胱甘肽、D-氨基酸中的一种。
5.权力要求1所述的高灵敏度的铜离子检测用荧光生物传感器检测方法，其特征在于所述检测方法包括如下两个步骤：一、将酶加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化；二、将酶和不同浓度的铜离子先混合后再加入量子点溶液中，随后加入酶底物，测得量子点荧光强度的变化，以相对荧光强度-铜离子浓度作图，计算得到铜离子的检测限。
6.根据权利要求5所述的高灵敏度的铜离子检测用荧光生物传感器检测方法，其特征在于所述量子点为CdSe、CdTe、CdS、PbS、CdSeZnS、CdSeCdS、CdSeS中的一种。
7.根据权利要求5所述的高灵敏度的铜离子检测用荧光生物传感器检测方法，其特征在于所述酶为甘油磷酸氧化酶、细胞色素C氧化酶、碱性磷酸酯酶、葡萄糖氧化酶、乙醇氧化酶、肌氨酸氧化酶、胆碱氧化酶、抗坏血酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶、谷胱甘肽氧化酶、D-氨基酸氧化酶中的一种。
8.根据权利要求5所述的高灵敏度的铜离子检测用荧光生物传感器检测方法，其特征在于所述酶底物为甘油磷酸、细胞色素C、葡萄糖、甲醇、肌氨酸、胆碱、抗坏血酸、嘌呤、谷胱甘肽、D-氨基酸中的一种。
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