摘要：氨基酸是生命之源, 其中L⁃精氨酸(L⁃Arg)是生物體進(jìn)行新陳代謝的一種重要氨基酸, 同時也是重要的腫瘤標(biāo)志物之一. 因此， 開發(fā)高選擇性的L⁃Arg檢測方法在生物分析領(lǐng)域十分重要. 本文在Uniprot數(shù)據(jù)庫29185個蛋白質(zhì)序列中篩選出特異性結(jié)合L⁃Arg的多肽序列(序列為 CFGHIHEGY), 經(jīng)ITC驗(yàn)證后, 將其作為識別元件固定在子彈形納米孔道尖端表面. 在納米空間限域效應(yīng)下, 利用多肽與L⁃Arg特異性結(jié)合前后構(gòu)象由伸展?fàn)顟B(tài)向蜷縮狀態(tài)的變化, 調(diào)控納米孔道離子輸運(yùn)特性變化, 從而實(shí)現(xiàn)對L⁃Arg的選擇性檢測. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 多肽修飾納米孔道對L⁃Arg具有高靈敏度和高選擇性, 線性范圍為1~100 nmol/L, 檢出限低至1 nmol/L. 該研究為氨基酸高選擇性、 高靈敏檢測提供了新方法, 同時也為多肽修飾仿生離子通道的構(gòu)建提供了新思路.
L⁃精氨酸（L⁃Arg）作為一種常見的氨基酸， 廣泛存在于生物體內(nèi)， 是人體內(nèi)的一種必需氨基酸［1］. 對于人體來說， L⁃Arg在新陳代謝過程中起到了重要的作用， 尤其在心血管、 免疫系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)中具有重要的生物調(diào)控功能［2~4］， 能夠促進(jìn)傷口愈合、 調(diào)節(jié)血管張力、 促進(jìn)激素分泌和調(diào)節(jié)內(nèi)分泌功能［5］、 調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞功能［6］以及促進(jìn)腸道健康［7］. L⁃Arg也是保證人體內(nèi)T細(xì)胞活力的重要物質(zhì)， T細(xì)胞內(nèi)L⁃Arg可以促進(jìn)細(xì)胞的氧化代謝， 增加細(xì)胞活性、 持久性和體內(nèi)抗腫瘤反應(yīng)［8］. 此外， L⁃Arg可為某些營養(yǎng)缺陷性腫瘤提供養(yǎng)分， 是重要的腫瘤標(biāo)志物［9］；同時， L⁃Arg可用于治療多種疾病［10］. 因此， 人體內(nèi)L⁃Arg的檢測在臨床診斷、 治療和生物功能研究中具有重要意義.
迄今， 在生命健康領(lǐng)域中L⁃Arg的檢測主要通過高效液相色譜（HPLC）［11］和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）［12］進(jìn)行. 這兩種方法雖然檢測精確， 但需要專門的設(shè)備且樣品制作繁瑣、 檢測成本高. 為了實(shí)現(xiàn)L⁃Arg的快速、 簡便檢測， 近年來已開發(fā)了許多新型檢測方法， 如熒光檢測法、 比色檢測法及電化學(xué)檢測法等［13~15］， 這些方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高度靈敏和快速的檢測， 但仍有許多需要改進(jìn)的地方， 如傳感器微型化、 實(shí)時響應(yīng)、 傳感探針的簡易制備和材料的生物相容性等.
1 實(shí)驗(yàn)部分
聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜（厚度 13 μm， 雙軸取向）， 德國Goodfellow公司；多肽（序列為CFGHIHEGY）， 純度98.85%；氯化鈉、 氫氧化鈉、 磷酸磷酸二氫鈉、 磷酸氫二鈉、 L⁃半胱氨酸和乙酸， 分析純， 上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；一水合嗎啉乙磺酸， 分析純， 上海麥克林生化科技有限公司；L⁃精氨酸， 分析純， 日本Sigma-Aldrich公司；L⁃丙氨酸、 L⁃色氨酸、 L⁃酪氨酸、 L⁃甘氨酸、 L⁃高半胱氨酸、 L⁃苯丙氨酸、 L⁃賴氨酸、 L⁃絲氨酸、 L⁃蘇氨酸、 L⁃天冬氨酸、 L⁃組氨酸、 L⁃谷氨酸、 L⁃谷氨酰胺、 L⁃異亮氨酸和L⁃脯氨酸， 分析純， 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；Dowfax 2A1表面活性劑， Dow Chemical Company；實(shí)驗(yàn)用水為超純水（電阻率≥18.3 MΩ·cm）.
CHI-760B型電化學(xué)工作站， 上海辰華儀器有限公司；Ag/AgCl電極， 上海仙仁儀器儀表有限公司；TESCAN MIRA LMS型掃描電子顯微鏡（SEM）， 捷克泰思肯有限公司；K-Alpha型X射線光電子能譜儀（XPS）， 美國賽默飛世爾科技公司.
采用離子徑跡刻蝕法制備多種形態(tài)納米孔道［28］. 首先使用Xe轟擊PET薄膜（8.98 MeV/u）獲得單個徑跡的PET薄膜， 隨后用紫外燈對PET薄膜進(jìn)行單側(cè)照射， 照射時長為12 h. 照射完成后， 在60 ℃下用6 mol/L NaOH和Dowfax 2A1混合溶液（體積分?jǐn)?shù)0.05%）對PET薄膜進(jìn)行不對稱刻蝕， 刻蝕4 min后得到子彈形納米孔道. 刻蝕完成后， 用蒸餾水清洗， 將其置于Milli Q超純水中靜置過夜.
圓錐形納米孔道的制備與子彈形納米孔道類似， 用紫外燈對 PET 薄膜的正反面進(jìn)行照射， 照射時長均為12 h. 照射完成后， 在分散槽中對PET薄膜進(jìn)行不對稱刻蝕得到圓錐形納米孔道（刻蝕液為 9 mol/L NaOH溶液， 停止液為1 mol/L KCl和1 mol/L醋酸溶液）. 利用電化學(xué)工作站對開孔情況進(jìn)行監(jiān)測， 施加1 V的電壓， 用雙電極體系記錄電流隨時間的變化來表征納米孔道是否貫通. 當(dāng)電流上升到一定大�。ǜ鶕�(jù)所需尖端孔徑大小確定）時， 用停止液替換刻蝕液以停止刻蝕. 用超純水洗滌3遍， 然后將其置于超純水中靜置過夜.
對納米孔道進(jìn)行化學(xué)刻蝕后， 其表面會暴露大量的羧基（—COOH）基團(tuán). 利用這一特性， 在納米孔道中可以固定含氨基（—NH2）的識別原件. 將PET薄膜放置在50 mmol/L EDC和250 mmol/L NHS混合的MES溶液（0.1 mol/L， pH=4.7）中， 浸泡1 h后從混合液中取出， 使用超純水將PET 薄膜沖洗干凈. 隨后， 將多肽溶液（0.2 mg/mL， pH=7.4）加入至納米孔道孔徑較小一側(cè)對應(yīng)的聚四氟乙烯分散槽中， 孵育1 h后， 用超純水沖洗PET薄膜， 除去未固定的多肽. 最后， 用含有1 mol/L NaCl的PBS緩沖液（10 mmol/L， pH=7.4）為電解液， 測量電流-電壓（I⁃V）曲線， 檢測多肽是否已修飾.
錐形納米孔道尖端部分孔徑（d）根據(jù)與I⁃V曲線線性區(qū)域獲得的電導(dǎo)率（G）的依賴關(guān)系確定， 相關(guān)公式如下：
式中：G為電導(dǎo)率， 通過I-V曲線線性區(qū)斜率可算得；k為電解液的離子電導(dǎo)率；L為納米孔道長度 （13 μm）；D為基底端孔徑， 其大小由刻蝕時間t計(jì)算得出， 關(guān)系式為D=5t（實(shí)驗(yàn)中使用多孔徑跡腐蝕膜確定系數(shù)為5）.
通過檢測I⁃V曲線對制備的單孔PET薄膜進(jìn)行了表征. 使用兩電極體系［Scheme 1（A）］檢測納米孔兩端電流， 首先將單孔膜夾在兩個聚四氟乙烯分散槽之間， 在膜兩側(cè)加入 1 mol/L NaCl電解質(zhì)溶液. 隨后， 在兩側(cè)分散槽溶液中各放置1個Ag/AgCl電極， 使用電化學(xué)工作站測量穩(wěn)定電壓下單孔膜的離子電流. 在單孔膜兩側(cè)施加-1~1 V的電壓， 每0.1 V記錄對應(yīng)電流大小并繪制I⁃V曲線圖， 觀察離子電流大小及整流系數(shù)變化， 施加-60~60 mV的電壓， 每10 mV記錄對應(yīng)電流大小并繪制I⁃V曲線圖， 計(jì)算斜率得到納米孔道電導(dǎo)率.
使用Materials Studio軟件對多肽結(jié)合L⁃Arg過程進(jìn)行模擬. 首先構(gòu)建精氨酸和九肽分子的三維立體模型， 隨后在Forcite模塊中進(jìn)行幾何優(yōu)化， 擬合得到多肽識別L⁃Arg的構(gòu)象變化. 利用perl腳本將精氨酸從多肽分子N端移動到C端， 得到多種可能的構(gòu)象變化， 通過計(jì)算找出能量最低的構(gòu)象， 即為最穩(wěn)定的構(gòu)象.
2 結(jié)果與討論
納米孔道經(jīng)過化學(xué)刻蝕后， 孔道內(nèi)聚合物鏈段的酯鍵水解， 其表面被羧基覆蓋［31］， 基于氨基和羧基的共價偶聯(lián)， 利用EDC/NHS作為偶聯(lián)劑將多肽固定在納米孔道內(nèi)表面. 為了進(jìn)一步驗(yàn)證多肽已修飾在納米孔道的內(nèi)表面， 對未修飾納米孔道薄膜和多肽修飾納米孔道薄膜進(jìn)行了XPS表征. 如圖1（B） 所示， 未修飾的納米孔道薄膜（譜線a）只有O1s 和C1s 峰清晰可見， 這是PET薄膜材料自身所含元素. 在納米孔道薄膜修飾多肽后（譜線b）， 除O1s 和C1s 峰外， 還存在N1s 峰（399 eV）. 這表明在多肽修飾后， 納米孔道中引入了N元素， 由于多肽中含有氨基和肽鍵， 因此N元素的引入證明多肽已被固定.
為了驗(yàn)證多肽對L⁃Arg的特異性識別， 使用裸孔進(jìn)行了離子電流檢測. 如圖2（C）和（D）所示， 在加入L⁃Arg后， 裸孔的離子電流和電導(dǎo)率未發(fā)生明顯變化. 以上結(jié)果表明， 多肽修飾納米孔道在L⁃Arg識別過程中， 多肽是L⁃Arg的識別元件.
為了探究納米孔道中多肽修飾和L⁃精氨酸識別過程中孔道有效孔徑的具體變化， 使用圓錐形納米孔道替換子彈形納米孔道重復(fù)上述實(shí)驗(yàn). 圓錐形納米孔道形狀規(guī)整， 在不使用SEM表征孔徑大小的情況下， 可以通過電導(dǎo)率的大小估算出納米孔道的尖端孔徑［32］. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖S1（見本文支持信息）所示， 裸錐形孔的電導(dǎo)率G1為2.0 nS， 修飾多肽后電導(dǎo)率G2減少至0.9 nS， 加入1 nmol/L L⁃Arg后電導(dǎo)率G3增加至1.3 nS. 根據(jù)錐形納米孔道電導(dǎo)率與孔徑關(guān)系式， 計(jì)算得出裸孔的尖端孔徑d1為14.7 nm， 修飾多肽后尖端孔徑d2減小為6.6 nm， 加入L⁃Arg后尖端孔徑d3增大為9.5 nm. 上述數(shù)據(jù)表明， 納米孔道尖端內(nèi)表面的多肽及其周圍水分子組成的多肽膜厚度為4.1 nm， 加入L⁃Arg后多肽膜厚度變?yōu)?2.6 nm.
將多肽修飾納米孔道對L⁃Arg的檢測性能與其它方法檢測L⁃Arg的性能進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)（表S3， 見本文支持信息）， 該方法具有更低的檢出限.
通過考察多肽修飾納米孔道對L⁃Arg和不同氨基酸混合物的響應(yīng)情況研究了其抗干擾性. 實(shí)驗(yàn)選擇L⁃半胱氨酸、 L⁃色氨酸、 L⁃酪氨酸、 L⁃高半胱氨酸、 L⁃苯丙氨酸和L⁃賴氨酸等17種氨基酸作為干擾物， 考察了加入50 nmol/L的L⁃Arg和500 nmol/L的干擾物混合物后， 納米孔道的電導(dǎo)率響應(yīng)情況. 如 圖4（B）所示， 加入干擾物后電導(dǎo)率響應(yīng)情況與單獨(dú)加入L⁃Arg一致， 且多肽修飾納米孔道對其余17種氨基酸的混合物無明顯電導(dǎo)率響應(yīng). 由此可知， 多肽修飾納米孔道可以在多種氨基酸混合物中選擇性識別L⁃Arg， 具有良好的抗干擾性， 可用于選擇性檢測L⁃Arg.
3 結(jié)論
基于多肽修飾的納米孔道開發(fā)了一種選擇性檢測L⁃Arg的新方法. 首先制備了子彈形納米孔道， 使用SEM對子彈形納米孔道的形貌進(jìn)行了表征. 通過納米孔道內(nèi)表面的羧基基團(tuán)及多肽自身的胺基基團(tuán)將多肽固定在納米孔道內(nèi)表面， 并使用XPS表征了修飾的多肽. 由于多肽對L⁃Arg的特異性識別與結(jié)合， 加入L⁃Arg后納米孔道的電導(dǎo)率會隨之變化， 以此可實(shí)現(xiàn)對L⁃Arg的定量分析. 該方法具有優(yōu)異的選擇性， 線性響應(yīng)范圍為1~100 nmol/L. 與其它方法相比， 該方法具有更低的檢出限， 且檢測時間短， 不需要昂貴的儀器. 同時， 由于納米孔道自身的微型尺寸， 在后續(xù)的研究中可以將納米孔道集成在微流控設(shè)備中， 為氨基酸傳感器的微型化、 柔性化提供了研究思路. 此外， 納米孔道的制備材料為PET薄膜， 對人體無害且具有柔性， 因此納米孔道傳感器在未來也可廣泛地應(yīng)用于可穿戴式傳感器領(lǐng)域.
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