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Light: Science & Applications:面向环境雌激素超灵敏筛
时间: 2021-10-18 10:25 浏览次数:
01 导读 近日,清华大学周小红副教授团队和暨南大学郭团教授团队合作,在环境风险快速智能化筛查的光纤传感领域取得重要进展。双方联合研制出面向环境雌激素快速筛查的超灵敏倾

 01   导读

    近日,清华大学周小红副教授团队和暨南大学郭团教授团队合作,在环境风险快速智能化筛查的光纤传感领域取得重要进展。双方联合研制出面向环境雌激素快速筛查的超灵敏倾斜光栅(Tilted fiber Bragg grating TFBG)表面等离子体共振(Surface Plasmon resonance, SPR)生物传感器,将雌激素结合活性当量浓度检出限较国际同期技术降低了2个数量级,还可进一步拓展至其他内分泌干扰效应的筛查(雄激素、孕激素、甲状腺激素等),有望为环境痕量污染物的大范围风险筛查提供快速、便携、免标记解决方案。成果以“Ultrasensitive detection of endocrine disruptors via superfine plasmonic spectral combs”为标题发表于Light: Science & Applications期刊上第一作者为刘兰华博士、张学军博士和朱茜博士生,通讯作者为周小红副教授和郭团教授。

封面图:Light: Science & Applications期刊截图)

图源: https://doi.org/10.1038/s41377-021-00618-2

 02  研究背景

环境雌激素(EEs)种类繁多、结构复杂,能够在极低浓度干扰内分泌系统而导致繁殖发育异常,已被联合国环境规划署列为需要全球合作应对的环境问题。光学生物传感器具有精度高、抗干扰能力强等优势,在环境污染物检测方面得到广泛应用。但受限于生物传感界面较弱的光与物质相互作用以及EEs化学结构的多样性,研发可筛查自然环境中新型或未知EEs 污染物的超灵敏光学生物传感技术面临极大挑战。上述问题的解决需要通过环境、光学、生物、化学等多学科交叉融合,深入探究传感新机理和新方法,突破现有技术瓶颈,为科学研究以及环境和健康监测领域提供有力的新技术和新方法。

 03   创新研究   

3.1镀金倾斜光栅雌激素传感器结构及其传感原理

 1 等离子体共振光纤生物传感器系统和检测原理示意图

图源: Light: Science & Applications (2021).

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00618-2

1a为传感器检测系统的示意图。等离子体共振光纤生物传感器系统运用近红外宽带光源,经过光纤起偏器、偏振控制器以及环形器后入射到镀金膜的光纤传感探头,当待测物被捕获到金膜表面后,引起了界面的折射率变化,改变了SPR的波矢匹配条件,进而引起了探测光强度和波长的变化,通过光谱仪监测探测光的变化,并通过LABVIEW程序实时对数据变化进行记录。图1b示意图展示了具体的检测原理:以重组人源雌激素受体α配体结合域蛋白hERα LBD为生物识别材料,制备脱硫生物素DTB修饰的金膜包覆光纤传感探头,设计合成链霉亲和素与雌二醇复合物STV-E2,复合物通过E2hERα LBD结合,并与水中EEs竞争结合hERα LBD,竞争解离后的STV-E2通入光纤传感器,基于 STV-DTB 亲和作用被捕获在光纤金膜表面,从而改变金膜表面的有效折射率,最终引起倾斜光纤光栅窄线宽光梳光谱的改变,通过测量光梳光谱的实时变化来定量分析EEs结合活性。

3.2 相关模拟和优化
 
 2 E2–STV偶联物的连接臂设计及分子动力学模拟
图源: Light: Science & Applications (2021).
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00618-2

2为偶联物的连接臂设计及分子动力学(MD)模拟,分析优化了结合的界面。图2a, bc分别展示了10 ns尺度模拟过程中的hERα LBD原子均方根偏差RMSD、结合能和受体-配体间形成氢键数目,图2插图进一步展示10 ns模拟结束时hERα-E2衍生物结构图。E2STV偶联物连接臂的长度合理设计对保持其与hERα受体的结合能力较为重要,通过MD模拟预测了所设计的不同长度的柔性E2衍生物与hERα受体所形成的复合物的结构稳定性。虽然8111620四种柔性E2衍生物与hERα受体均在MD模拟的最后阶段生成了较为稳定的复合物,但配体连接臂的大小在结合位点处的位置存在明显的差异。虽然1116两种衍生物所引起的受体结构变化较小并生成了数量较低的氢键,但是其与受体的结合能力在MD模拟中处于较低水平。而连接臂较短的衍生物811对受体-配体结合后的结构变化过程不仅干扰较小,而且其中衍生物8模拟后与hERα受体的结合位点与未修饰的E2几乎完全重合,并在结合能力和形成氢键能力上表现最佳,说明了衍生物8的连接臂设计有利于保持E2STV缀合物的hERα受体结合能力,为E2的高灵敏度检测方法提供了设计指导和理论依据。

3 等离子体传感模式的优化

图源: Light: Science & Applications (2021).

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00618-2

3为等离子体光纤传感器光谱对金膜表面的界面折射率的响应光谱分析和优化。具体地,图3a为等离子体共振光纤传感探头界面修饰DTB-PEG-SH 1小时内SPR的光谱响应,插图为两个最灵敏的共振模式,即模式4和模式5的放大图谱;图3b为整个DTB-PEG-SH修饰过程中模式1-8的相对强度变化;图3c为反应1 h后模式1-8的相对强度变化,显示了各个模式的灵敏度差异;图3d为模拟结果,模拟了光纤传感探头所镀金膜上修饰不同厚度的生物分子(假定折射率为1.48,厚度分别为123 nm)时引起SPR包络中各个模式的变化;图3e为模式1-8相对强度变化与不同分子厚度的模拟关系;图3f为金膜上修饰3 nm生物分子时模式1-8的相对强度变化,其规律与实验结果图3c类似。通过实验和理论的优化,实验中选择的是灵敏度最大的模式4作为传感模式。

3.3 等离子体共振传感器的修饰、稳定性和分子检测

4a通过示意图展示了金硫键自组装将脱硫生物素DTB-PEG-SH修饰在倾斜光栅光纤金膜表面,以BSA溶液封闭光纤界面非特异性结合位点,增强链霉亲和素(STV-脱硫生物素(DTB)的特异性亲和作用;4b 通过LABVIEW程序每间隔20 s记录所有等离子体共振光纤传感器长时间水中稳定(66 min)和完整修饰DTB-PEG-SHBSADTB-PEG-SHBSA,修饰时间分别为66 33 min)的光谱变化曲线;4c4b中最灵敏的等离子体共振模式①,②和③的强度最低点的变化来分别监测水中稳定、DTB-PEG-SHBSA修饰到光纤表面的过程,并给出了修饰完后模式①在相同背景水的强度变化,光纤表面原子力显微镜(Atomic force microscope, AFM)表征结果也显示出了界面修饰前后的差异性(4c插图(a)和(b))。

4 倾斜光纤光栅界面生物化学修饰与过程表征

图源: Light: Science & Applications (2021).

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00618-2

 5 光纤生物传感器对不同浓度E2的实时响应强度曲线及经过再生液冲洗后的界面可再生性

图源: Light: Science & Applications (2021).

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00618-2

5显示了实时强度曲线显示E20.1 ng ml-110000 ng ml-1浓度范围内均有稳定和靶标依赖的光学响应变化,动态响应范围超过5个数量级。光纤传感探头再生信号可重复,信号衰减<0.02 dB

6 以hERα LBD为生物识别材料的等离子体共振光纤生物传感器的性能表征

图源: Light: Science & Applications (2021).

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00618-2

6为生物识别材料的等离子体共振光纤生物传感器的性能表征。图6a展示了不同E2浓度下的SPR模式光谱响应图;6b为最灵敏的模式相对强度变化量ΔIntensity与不同E2浓度的标准曲线,并进行了罗杰斯特拟合;6cE2检测线性范围,插图为空白样本的信号漂移。随着E2浓度的增加,SPR包层模式4光谱强度逐渐降低。以强度变化为纵坐标,E2浓度为横坐标拟合标准曲线,线性检测范围为0.01 ng ml-1~100 ng ml-1,检出可达到1.5×10-3 ng ml-1。上述以hERα LBD为生物识别材料的等离子体共振光纤生物传感器可实现环境雌激素的超灵敏筛

 04   应用与展望 

本研究研制出面向环境雌激素超灵敏筛查的倾斜光栅表面等离子体共振生物传感器。这一技术将能量高度密集的超精细等离子体光谱梳汇聚于头发丝大小的光纤波导上,以重组人源雌激素受体α配体结合域蛋白为生物识别材料,基于受体与环境雌激素特异性识别这一信号通路分子起始事件,研发等离子共振增强型倾斜光纤光栅传感探头,基于分子动力学模拟提出可再生光纤界面修饰方法与具有放大效果的受体检测模式,集成研制环境雌激素结合活性超灵敏定量筛查的免标记型光纤生物传感器,对环境样品中雌二醇结合活性当量浓度检出限降低至1.5 ×10-3 ng L-1,较现有技术降低2个数量级。通过结合其他核受体蛋白,该技术可拓展至其他内分泌干扰风险物的筛查。

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