微悬臂梁适配子传感器检测维埃克斯、沙林及动力学分析

刘志伟等

1引言

维埃克斯（VX）、沙林（GB）作为神经性毒剂，具有高效强毒、快速杀伤的特点。检测VX和GB常用的方法有色谱法、色谱质谱联用法和波谱法等，这些方法的检测灵敏度虽然很高，但样品处理繁琐，分析时间长、成本高，且所需仪器复杂、价格昂贵、庞大笨重，需要专业技术人员操作和维护，不适用于现场快速检测＼[1～3＼]。目前含磷毒剂生物传感器具有体积小、响应灵敏、快速、一般不需要对样品进行预处理等优点，已广泛用于毒剂的现场检测中，但这类传感器一般采用胆碱酯酶作为分子识别物质，对所有能抑制胆碱酯酶活性的含磷毒剂和氨基甲酸酯均有响应，无法区分毒剂种类＼[4＼]。

适配子（Aptamer）是人工合成的单链寡核苷酸，具有亲和力高、特异性强、稳定性好及制备容易等优点，在生物传感器中作为一种新的分子识别物质正受到越来越多的重视[5，6]。压阻式微悬臂梁将压阻材料集成于微悬臂梁中，通过惠斯通电桥将微悬臂梁的弯曲直接转换为电压信号进行输出＼[7＼]。由于压阻式微悬臂梁读出方式简单、易于集成，成本低，体积小，在生化分子的现场检测中具有很好的发展前景＼[8，9＼]。目前，有关微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB及动力学分析方法尚未见文献报道。本研究的目的在于： （1）利用毒剂特异性的VX和GB适配子，建立一种基于压阻式微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB的新方法，实现对VX和GB的高灵敏特异性检测，以解决现有含磷毒剂生物传感器无法区分毒剂种类的缺陷； （2）创建压阻式微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB的反应动力学模型，为传感器的数据处理、噪声及非特异性信号干扰的排除提供理论依据。

2实验部分

2.1仪器与试剂

压阻式微悬臂梁检测平台由本室与北京大学微电子学研究院共同搭建（压阻式微悬臂梁传感芯片：长200 μm，宽50 μm，厚约1 μm）。VX和GB的甲醇储备液、VX适配子（5′BioTCGCAAGACGGACAGAAGGTTTTTATTTTATCTTTGATTACTGTTTTTTTGTTTAGTTGTGTTGGTGGAGCGATTTGT3′）、GB适配子（5′BioTCGCAAGACGGACAGAAGTTGGGACTGCCACTTTGTGTTTTGGTTATAGTACTTATTTGCGTTGGTGGAGCGATTTGT3′）均由本实验室制备；活化生物素（BiotinNHS ester）、3，3，二巯基丙酸（DDPA）、1乙基3（3二甲氨丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC）、N羟基琥珀酰亚胺（NHS）、亲和素（Avidin）、乙醇胺（Sigma公司）；牛血清白蛋白（BSA，上海国药集团有限公司）；PBS缓冲液（pH 7.4，0.01 mol/L）；其它试剂均为分析纯。实验用水为二次蒸馏水。

2.2实验方法

2.2.1微悬臂梁适配子传感器的构建将芯片置于检测池中，加入DDPA（5 g/L），反应1 h，使芯片表面金膜包被上羧基；以水清洗芯片及检测池，加入EDC（5 g/L）和NHS（5 g/L），反应0.5 h，完成对微悬臂梁表面的羧基活化修饰；清洗芯片后自然晾干，滴加20 μL 100 mg/L 亲和素，反应0.5 h；清洗后滴加20 μL 1 mol/L 乙醇胺，反应0.5 h以灭活金膜表面残余的活化羧基；清洗后将芯片置于含PBS缓冲溶液的检测池中，加入2 μmol/L生物素化的VX和GB适配子，反应2 h，清洗芯片及检测池。

2.2.2VX和GB的检测将构建好的传感芯片置于含0.01 mol/L PBS缓冲溶液的检测池中，待信号稳定后，加入不同浓度的VX或GB（一个芯片测量一个浓度），记录传感器的响应电压。另以0.01 mol/L PBS及200 μg/L O丁基甲基膦酰氯作为对照，考察传感器的特异性。

2.2.3微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB毒剂动力学模型的建立与分析

根据配体、受体结合的假一级动力学方程与压阻式微悬臂梁输出电压变化和受力关系的特性，推导出压阻式微悬臂梁适配子传感器输出电压变化与时间之间的动力学模型。根据建立的动力学模型对VX和GB的实际检测数据进行拟合，由拟合方程求出传感器对不同浓度VX和GB反应达到平衡时的响应电压（ΔUe）及响应时间（t0），分析模拟值与实测值之间的关系。

2.2.4VX和GB典型模拟样品的测定

3结果与讨论

3.1微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB

利用构建好的微悬壁梁适配子传感器对不同浓度的VX和GB进行检测，结果见图1。

当VX浓度为60， 30和20 μg/L时，传感器响应信号（输出电压变化）分别为55.8， 21.5和12.5 μV； 当VX的浓度进一步降至4和2 μg/L时，传感器响应信号为4.5和3.1 μV，再进一步降低VX浓度至1 μg/L时，基本接近噪音信号（约1 μV），因此确定传感器对VX的检出限为2 μg/L（S/N≥3）。在2～60 μg/L浓度范围内， 微悬臂梁传感器响应信号（输出电压变化，ΔUe）随VX浓度（C）增加而增大，呈线性关系，其线性回归方程为ΔUe=0.886C-1.039（n=5，R=0.984， p<0.001）。

以相同方法对GB进行检测，确定传感器对GB的检出限为10 μg/L（S/N≥3）。在10～60 μg/L浓度范围内，微悬臂梁传感器响应信号与GB浓度呈线性关系，其线性回归方程为ΔUe=0.716C-2.304（n=5， R=0.996， p<0.001）。

对照实验表明，加入0.01 mol/L PBS作为空白对照及与VX和GB结构非常相似的O丁基甲基膦酰氯（200 μg/L）作为干扰时，传感器基本无响应，表明传感器具有很好的特异性与抗干扰能力。对20 μg/L VX重复3次测定，传感器响应信号ΔUe值为（13.7±1.08）μV，相对标准偏差为7.9%。对10 μg/LGB重复3次测定，传感器响应信号ΔUe值为（5.0±0.35） μV，相对标准偏差为7.0%，传感器重现性较好。

根据建立的理论模型，对检测VX和GB的实际结果数据进行非线性回归分析，结果见图2、表1和表2。 从表1和表2可知，建立的压阻式微悬臂梁适配子传感器ΔU随t变化的动力学模型（方程2）能很好地与不同浓度VX和GB的实测数据进行拟合，相关系数R>0.8536（p<0.01），且随着VX和GB浓度的增加，相关系数R呈现出不断增大的趋势，其值在检出限附近较低，可能是由于干扰信号对其影响较大所致；根据拟合方程求出的传感器对不同浓度VX和GB反应达到平衡的响应电压（ΔUe）、响应时间（t0）均与实测值非常接近，且随着VX和GB浓度的增加，传感器响应时间缩短，平衡响应电压增大，与实际情况具有很好的一致性，表明压阻式微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB遵循方程（2）建立的动力学模型。因此，该模型可用于压阻式微悬臂梁适配子传感器检测生化分子的实际检测数据分析，对出现的噪声及非特异性信号进行判别，为解决压阻式微悬臂梁传感器数据处理中去除噪声及非特异性

4结论

利用适配子的高特异性及亲和活性，以压阻式微悬臂梁传感器为检测平台，建立了一种基于压阻式微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB及动力学分析的新方法，克服了传统胆碱酯酶含磷毒剂生物传感器无法区分毒剂种类的缺陷。此传感器对VX和GB检测的线性范围分别为2～60 μg/L和10～60 μg/L，检出限分别2和10 μg/L。传感器对毒剂类似物O丁基甲基膦酰氯（200 μg/L）基本无响应，具有很好的特异性和抗干扰能力，能够满足土壤、蔬菜、环境水样等典型模拟样品的检测要求。在此基础上，建立了压阻式微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB的反应动力学模型，此模型能很好地反映传感器检测VX和GB的动力学过程。根据拟合模型方程求出的传感器对不同浓度VX和GB反应达到平衡的响应电压（ΔUe）、响应时间（t0）均与实测值非常接近。此模型可用于实际检测数据的分析，为解决压阻式微悬臂梁传感器数据处理中去除噪声及非特异性信号的干扰提供了理论依据。此传感器操作简单、响应快速、灵敏度高、选择性好，不需对样品进行预处理，在神经性毒剂现场快速检测方面具有较好应用前景。

References

1Debouit C， Bazire A， Lallement G， Daveloose D. J. Chromatogr. B， 2010， 878： 3059-3066

2Subramaniam R， Astot C， Juhlin L， Nilsson C， Ostin A. J. Chromatogr. A， 2012， 1229： 86-94

3Tuovinen K， Paakkanen H， Hanninen O. Anal. Chim. Acta， 2001， 440： 151-159

4LI YuanGuang， ZHOU YongXin， FENG JianLin. Chinese J. Anal. Chem.， 2000， 28（1）： 95-98

李元光， 周永新， 冯建林. 分析化学， 2000， 28（1）： 95-98

5WANG Kun， TAO ZhanHui， XU Lei， LIU YaQing. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（2）： 298-304

王 昆， 陶占辉， 徐 蕾， 刘亚青. 分析化学， 2014， 42（2）： 298-304

6SHEN Rui， TANG JiJun， ZHANG ChaoYang， GUO Lei， XIE JianWei. Chem. J. Chinese Universities， 2009， 30（4）： 701-705

申 睿， 唐吉军， 张朝阳， 郭 磊， 谢剑炜. 高等学校化学学报， 2009， 30（4）： 701-705

7Seo H， Jung S， Jeon S. Sensors and Actuators B， 2007， 126（2）： 522-526

8Wee K W， Kang G Y， Park J， Kang J Y， Yoon D S， Park J H， Kim T S. Biosens. Bioelectron.， 2005， 20（10）： 1932-1938

9Yang S M， Chang C， Yin T I， Kuo P L. Sensors and Actuators B， 2008， 130（2）： 674-681

10ZHOU TingChong. Receptor Biochemical Pharmacology. Beijing： People′s Medical Publishing House， 1985： 104-108

周廷冲. 受体生化药理学. 北京： 人民卫生出版社， 1985： 104-108

11Doll J C， Park S J， Pruitt B L. J. Appl. Phys.， 2009， 106： 064310006431012

12LIU ZhiWei， TONG ZhaoYang， MU XiHui， LIU Bing， HAO LanQun， ZHANG JinPing. Transducer and Microsystem Technologies， 2014， 33（3）： 8-11

刘志伟， 童朝阳， 穆晞惠， 刘 冰， 郝兰群， 张金平. 传感器与微系统， 2014， 33（3）： 8-11

AbstractA new method for Oethyl S＼[2（diisopropylamino） ethyl＼] methylphosphonothiolate （VX）， sarin detection and its kinetic analysis based on piezoresistive microcantilever aptasensor was developed， where VX， sarin aptamers were immobilized on the microcantilever surface by biotinavidin binding system. A linear relationship between the response voltage and the concentration of VX in the range of 2-60μg/L was obtained. The linear regression equation was ΔUe=0.886C-1.039 （n=5， R=0.984， p<0.001） and the detection limit was 2 μg/L （S/N≥3）. A linear relationship between the response voltage and the concentration of sarin in the range of 10-60 μg/L was obtained， the linear regression equation was ΔUe=0.716C-2.304 （n=5， R=0.996， p<0.001） and the detection limit was 10 μg/L （S/N≥3）. The sensor showed no response for Obutyl methylphosphonochloridate， a structural analog of VX and sarin， which indicated high specificity and good antiinterference ability. On this basis， a reaction kinetic model based on receptorligand binding and the relationship with output voltage change was established. Response voltage （ΔUe） and response time（t0） were obtained from the fitting equation on different concentrations of VX， sarin fitted well with the measured values.

KeywordsMicrocantilever； Aptasensor； OEthyl S＼[2（diisopropylamino） ethyl＼] methylphosphonothiolate； Sarin； Kinetic analysis

根据建立的理论模型，对检测VX和GB的实际结果数据进行非线性回归分析，结果见图2、表1和表2。 从表1和表2可知，建立的压阻式微悬臂梁适配子传感器ΔU随t变化的动力学模型（方程2）能很好地与不同浓度VX和GB的实测数据进行拟合，相关系数R>0.8536（p<0.01），且随着VX和GB浓度的增加，相关系数R呈现出不断增大的趋势，其值在检出限附近较低，可能是由于干扰信号对其影响较大所致；根据拟合方程求出的传感器对不同浓度VX和GB反应达到平衡的响应电压（ΔUe）、响应时间（t0）均与实测值非常接近，且随着VX和GB浓度的增加，传感器响应时间缩短，平衡响应电压增大，与实际情况具有很好的一致性，表明压阻式微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB遵循方程（2）建立的动力学模型。因此，该模型可用于压阻式微悬臂梁适配子传感器检测生化分子的实际检测数据分析，对出现的噪声及非特异性信号进行判别，为解决压阻式微悬臂梁传感器数据处理中去除噪声及非特异性

4结论

利用适配子的高特异性及亲和活性，以压阻式微悬臂梁传感器为检测平台，建立了一种基于压阻式微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB及动力学分析的新方法，克服了传统胆碱酯酶含磷毒剂生物传感器无法区分毒剂种类的缺陷。此传感器对VX和GB检测的线性范围分别为2～60 μg/L和10～60 μg/L，检出限分别2和10 μg/L。传感器对毒剂类似物O丁基甲基膦酰氯（200 μg/L）基本无响应，具有很好的特异性和抗干扰能力，能够满足土壤、蔬菜、环境水样等典型模拟样品的检测要求。在此基础上，建立了压阻式微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB的反应动力学模型，此模型能很好地反映传感器检测VX和GB的动力学过程。根据拟合模型方程求出的传感器对不同浓度VX和GB反应达到平衡的响应电压（ΔUe）、响应时间（t0）均与实测值非常接近。此模型可用于实际检测数据的分析，为解决压阻式微悬臂梁传感器数据处理中去除噪声及非特异性信号的干扰提供了理论依据。此传感器操作简单、响应快速、灵敏度高、选择性好，不需对样品进行预处理，在神经性毒剂现场快速检测方面具有较好应用前景。

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AbstractA new method for Oethyl S＼[2（diisopropylamino） ethyl＼] methylphosphonothiolate （VX）， sarin detection and its kinetic analysis based on piezoresistive microcantilever aptasensor was developed， where VX， sarin aptamers were immobilized on the microcantilever surface by biotinavidin binding system. A linear relationship between the response voltage and the concentration of VX in the range of 2-60μg/L was obtained. The linear regression equation was ΔUe=0.886C-1.039 （n=5， R=0.984， p<0.001） and the detection limit was 2 μg/L （S/N≥3）. A linear relationship between the response voltage and the concentration of sarin in the range of 10-60 μg/L was obtained， the linear regression equation was ΔUe=0.716C-2.304 （n=5， R=0.996， p<0.001） and the detection limit was 10 μg/L （S/N≥3）. The sensor showed no response for Obutyl methylphosphonochloridate， a structural analog of VX and sarin， which indicated high specificity and good antiinterference ability. On this basis， a reaction kinetic model based on receptorligand binding and the relationship with output voltage change was established. Response voltage （ΔUe） and response time（t0） were obtained from the fitting equation on different concentrations of VX， sarin fitted well with the measured values.

KeywordsMicrocantilever； Aptasensor； OEthyl S＼[2（diisopropylamino） ethyl＼] methylphosphonothiolate； Sarin； Kinetic analysis

根据建立的理论模型，对检测VX和GB的实际结果数据进行非线性回归分析，结果见图2、表1和表2。 从表1和表2可知，建立的压阻式微悬臂梁适配子传感器ΔU随t变化的动力学模型（方程2）能很好地与不同浓度VX和GB的实测数据进行拟合，相关系数R>0.8536（p<0.01），且随着VX和GB浓度的增加，相关系数R呈现出不断增大的趋势，其值在检出限附近较低，可能是由于干扰信号对其影响较大所致；根据拟合方程求出的传感器对不同浓度VX和GB反应达到平衡的响应电压（ΔUe）、响应时间（t0）均与实测值非常接近，且随着VX和GB浓度的增加，传感器响应时间缩短，平衡响应电压增大，与实际情况具有很好的一致性，表明压阻式微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB遵循方程（2）建立的动力学模型。因此，该模型可用于压阻式微悬臂梁适配子传感器检测生化分子的实际检测数据分析，对出现的噪声及非特异性信号进行判别，为解决压阻式微悬臂梁传感器数据处理中去除噪声及非特异性

4结论

利用适配子的高特异性及亲和活性，以压阻式微悬臂梁传感器为检测平台，建立了一种基于压阻式微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB及动力学分析的新方法，克服了传统胆碱酯酶含磷毒剂生物传感器无法区分毒剂种类的缺陷。此传感器对VX和GB检测的线性范围分别为2～60 μg/L和10～60 μg/L，检出限分别2和10 μg/L。传感器对毒剂类似物O丁基甲基膦酰氯（200 μg/L）基本无响应，具有很好的特异性和抗干扰能力，能够满足土壤、蔬菜、环境水样等典型模拟样品的检测要求。在此基础上，建立了压阻式微悬臂梁适配子传感器检测VX和GB的反应动力学模型，此模型能很好地反映传感器检测VX和GB的动力学过程。根据拟合模型方程求出的传感器对不同浓度VX和GB反应达到平衡的响应电压（ΔUe）、响应时间（t0）均与实测值非常接近。此模型可用于实际检测数据的分析，为解决压阻式微悬臂梁传感器数据处理中去除噪声及非特异性信号的干扰提供了理论依据。此传感器操作简单、响应快速、灵敏度高、选择性好，不需对样品进行预处理，在神经性毒剂现场快速检测方面具有较好应用前景。

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AbstractA new method for Oethyl S＼[2（diisopropylamino） ethyl＼] methylphosphonothiolate （VX）， sarin detection and its kinetic analysis based on piezoresistive microcantilever aptasensor was developed， where VX， sarin aptamers were immobilized on the microcantilever surface by biotinavidin binding system. A linear relationship between the response voltage and the concentration of VX in the range of 2-60μg/L was obtained. The linear regression equation was ΔUe=0.886C-1.039 （n=5， R=0.984， p<0.001） and the detection limit was 2 μg/L （S/N≥3）. A linear relationship between the response voltage and the concentration of sarin in the range of 10-60 μg/L was obtained， the linear regression equation was ΔUe=0.716C-2.304 （n=5， R=0.996， p<0.001） and the detection limit was 10 μg/L （S/N≥3）. The sensor showed no response for Obutyl methylphosphonochloridate， a structural analog of VX and sarin， which indicated high specificity and good antiinterference ability. On this basis， a reaction kinetic model based on receptorligand binding and the relationship with output voltage change was established. Response voltage （ΔUe） and response time（t0） were obtained from the fitting equation on different concentrations of VX， sarin fitted well with the measured values.

KeywordsMicrocantilever； Aptasensor； OEthyl S＼[2（diisopropylamino） ethyl＼] methylphosphonothiolate； Sarin； Kinetic analysis