核酸適配體在固相萃取技術(shù)中的研究進(jìn)展

王薇薇, 劉素琴, 薛 蕓, 王 彥, 閻 超(上海交通大學(xué)藥學(xué)院, 上海 200240)

鄒漢法研究員紀(jì)念專輯(下)·專論與綜述

核酸適配體在固相萃取技術(shù)中的研究進(jìn)展

王薇薇, 劉素琴, 薛 蕓, 王 彥*, 閻 超*
(上海交通大學(xué)藥學(xué)院, 上海 200240)

核酸適配體是一種經(jīng)由體外指數(shù)級富集系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)篩選得到的隨機(jī)寡核苷酸片段,該寡核苷酸片段能特異性結(jié)合靶物質(zhì)。核酸適配體與固相萃取技術(shù)相結(jié)合,可以高選擇性地應(yīng)用于復(fù)雜樣品中痕量組分的萃取、分離、富集和純化,由此引起了廣泛關(guān)注。該文綜述了基于核酸適配體的固相萃取研究進(jìn)展,著重評述了核酸適配體固相萃取柱的制備、固相萃取過程、面臨的問題和應(yīng)用前景。

固相萃取;樣品前處理;親和吸附;核酸適配體;復(fù)雜樣品;綜述

固相萃取(solid phase extraction,SPE)[1]因其易于實(shí)現(xiàn)自動化和靈活性高的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于分離和富集過程,已被認(rèn)為是分析測試前對樣品進(jìn)行前處理的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。SPE利用固體吸附劑吸附液體樣品中的目標(biāo)分析物,使其與樣品基質(zhì)和干擾物分離,再用洗脫液洗脫或加熱解吸附,達(dá)到分離和富集目標(biāo)分析物的目的。使用SPE吸附富集可大大增強(qiáng)分析物的檢出能力,提高待測組分的回收率。SPE方法中固體吸附劑的選擇是決定萃取效率、富集倍數(shù)和吸附材料使用壽命的重要因素。然而傳統(tǒng)的SPE吸附材料(如C8、C18等)具有萃取選擇性低的缺點(diǎn),難以高效地用于復(fù)雜樣品中痕量目標(biāo)分析物的萃取和富集。

為提高SPE材料的選擇性,一系列基于“分子識別”的功能化吸附劑被研發(fā)出來,主要包括基于抗體[2]、分子印跡技術(shù)[3]以及核酸適配體(aptamer)[4]的吸附材料。其中,基于抗體的吸附材料特異性強(qiáng),但抗體的獲得費(fèi)時(shí)且昂貴[2]。分子印跡聚合物制備方便,然而模板的洗脫費(fèi)時(shí)且難以達(dá)到洗脫完全的效果[3]。

近年來,已有不少研究以核酸適配體作為親和配基應(yīng)用于SPE,并獲得了很好的效果。核酸適配體是一種經(jīng)由體外指數(shù)級富集系統(tǒng)進(jìn)化(systema-tic evolution of ligands by exponential enrichment,SELEX)[5]技術(shù)篩選得到的隨機(jī)寡核苷酸片段,可以是DNA或RNA,能特異性結(jié)合靶物質(zhì)。核酸適配體可通過分子內(nèi)的相互作用,如氫鍵、堿基互補(bǔ)配對等,形成多種三維空間結(jié)構(gòu),包括發(fā)夾、凸環(huán)、假結(jié)和G四聯(lián)體結(jié)構(gòu)等。依據(jù)這種三維空間結(jié)構(gòu),核酸適配體可以廣泛地與目標(biāo)結(jié)合,從金屬離子[6]到小分子[7]、大分子蛋白質(zhì)[8],乃至整個(gè)細(xì)胞[9]。核酸適配體又被稱為“化學(xué)抗體”,但與抗體不同的是,核酸適配體可以大批量體外合成,這使核酸適配體在生物化學(xué)分析領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用空間。

由于基于核酸適配體功能化材料的SPE方法具有高選擇性和高特異性的特點(diǎn),近年來受到廣泛關(guān)注。本文著重綜述基于核酸適配體的SPE技術(shù)研究進(jìn)展,對基于核酸適配體的SPE材料的制備、SPE過程、應(yīng)用、面臨的問題和前景進(jìn)行綜述。

1 基于核酸適配體的固相萃取吸附劑

基于核酸適配體的SPE技術(shù)的核心是制備基于核酸適配體的吸附材料,這其中涉及固相載體的選擇和活化、適配體的修飾及其在載體表面的固定。

1.1 載體的選擇

選擇合適的載體材料用于核酸適配體的固定對于基于核酸適配體的吸附劑的制備是很重要的環(huán)節(jié)。此載體材料需要具備以下屬性:(1)化學(xué)/生物惰性,以便在SPE過程中不與分析物或基質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng);(2)能夠在一定程度上耐受酸堿及有機(jī)溶劑,這樣可以在選擇上樣和洗脫溶液時(shí)不受載體的局限;(3)良好的機(jī)械穩(wěn)定性,以及均一的粒徑和形態(tài);(4)由于需要進(jìn)一步在此材料表面固定核酸適配體,所以此載體材料的表面最好容易活化;(5)親水的表面,這樣可以最大限度地減小由載體造成的非特異性吸附。目前常用的載體材料有硅[10]、瓊脂糖[11]、凝膠[12]、聚苯乙烯[13]、有機(jī)或金屬聚合物骨架[4]等。載體的種類會影響SPE的表現(xiàn),Madru等[14]報(bào)道了一種基于核酸適配體的SPE柱,是以溴化氰活化的凝膠作為載體,并對比了多種載體,包括鏈霉親和素活化的瓊脂糖、巰基活化的凝膠以及戊二醛活化的凝膠,結(jié)果顯示以溴化氰活化的凝膠為載體的吸附劑對目標(biāo)分析物的保留、選擇性、吸附容量以及重復(fù)性等參數(shù)最佳。

1.2 間隔體的選擇

間隔體(spacer)是指核酸適配體與載體之間的間隔連接體,它會在載體材料的表面與適配體之間產(chǎn)生一個(gè)化學(xué)間隔,以便二者的間隔臂(arm)相連接。間隔體能夠影響核酸適配體在載體材料表面的固定密度、載體表面的性質(zhì),進(jìn)而對SPE柱的吸附容量和吸附選擇性產(chǎn)生影響[15]。隨著間隔體長度的增加,核酸適配體在載體表面的密度下降,與此同時(shí)核酸適配體在空間上更易接近目標(biāo)分析物,會導(dǎo)致SPE柱對目標(biāo)分析物的捕獲效率增加,但吸附容量會有所下降[15,16]。Wang等[17]使用具有防污功能的聚甲基丙烯酸聚乙二醇酯作為間隔體制備了基于核酸適配體的SPE材料,與未使用該間隔體的材料相比,大大提高了捕獲血清中Ramos細(xì)胞的選擇性和特異性。常用的間隔體還包括3-氨丙基三乙氧基硅烷[18,19]、烷基鏈[14]、聚乙二醇[13,16]等。

1.3 適配體在載體表面的固定

固定核酸適配體的方法包括非共價(jià)鍵和共價(jià)鍵兩種形式。非共價(jià)鍵的方法常采用經(jīng)典的生物素-鏈霉親和素或生物素-親和素橋連的方法。該方法很容易構(gòu)建,并且可買到商業(yè)化的相關(guān)材料,比如鏈霉親和素或親和素包被的磁珠、多孔硅膠以及聚苯乙烯球等。這種非共價(jià)鍵的方法有很高的效率,并且可以維持材料表面的生物相容性,最大限度地維持核酸適配體的結(jié)合能力,已被廣泛用于包括SPE在內(nèi)的分離材料和生物芯片的制備中。該方法操作簡單,通常將生物素修飾的核酸適配體與鏈霉親和素[11,14]或親和素[20,21]包被的載體材料混合。但這種方法也有一些缺點(diǎn),比如重復(fù)利用率低、材料的壽命短,尤其當(dāng)使用有機(jī)物修飾的載體材料或者使用高比例有機(jī)溶劑作洗脫溶液時(shí),有機(jī)材料或有機(jī)溶劑會影響生物素與鏈霉親和素之間的作用力[11]。有研究[18]曾采用生物素-鏈霉親和素連接對比共價(jià)連接的方式固定核酸適配體,制備了兩種基于核酸適配體的固相微萃取(solid phase microextraction,SPME)纖維,并對比二者在萃取腺苷時(shí)的表現(xiàn),結(jié)果顯示以非共價(jià)方式固定核酸適配體制備的SPME纖維吸附性能不及共價(jià)方式制備的SPME纖維。

共價(jià)鍵合也是固定核酸適配體的常用方法。首先將不同的官能團(tuán)(比如氨基、巰基、羧基等)引入適配體的一端,然后將這一端與載體表面的某些官能團(tuán)相互作用形成化學(xué)鍵,從而將核酸適配體固定在載體材料表面。氨基修飾的核酸適配體是最常用的,游離的氨基常共價(jià)結(jié)合于巰基活化的硅膠[14]、溴化氰活化的凝膠[12,22,23]、N-羥基琥珀酰亞胺活化的凝膠[14]、聚苯乙烯多孔材料[24]或羧基修飾的凝膠[7]上。另外點(diǎn)擊化學(xué)的方法也常用來固定核酸適配體[10,25]。

通過分析結(jié)合前后的上清液可計(jì)算核酸適配體在載體表面的結(jié)合量,常用的檢測方法有丙烯酰胺凝膠電泳法[26,27]、紫外檢測法[28,29]以及液相色譜-紫外檢測(LC-UV)法[14]。但以上檢測方法可能會高估核酸適配體在載體表面的結(jié)合量,因?yàn)榭赡艽嬖谳d體材料對核酸適配體的物理吸附作用。為了避免以上方法的缺陷,可采用離子交換液相色譜法(ion exchange liquid chromatography)同時(shí)分析上清液以及清洗材料后清洗液中核酸適配體的量,計(jì)算核酸適配體在載體表面的結(jié)合量[14]。表1中列舉了常用的載體以及核酸適配體在載體表面的固定方法。

1.4 固相萃取的形式

基于核酸適配體的材料用于SPE的形式多種多樣,主要包括填充柱[7,11,14,24,28]、開管柱[43,49]、整體柱[19,38,40,42,48]以及SPME纖維[4]。

表1 核酸適配體的固定方法Table 1 Methods of aptamer immobilization

MOF: metal organic framework.

基于核酸適配體的填充柱是采用基于核酸適配體的材料填充至空管制成的SPE柱。填充柱可獲得比較高的核酸適配體固定密度,并且具有較高的吸附容量,但可能存在傳質(zhì)速度慢以及容易堵塞等缺陷。很多參數(shù)會影響該柱在SPE方面的表現(xiàn),比如載體材料的屬性[14]、適配體的固定方法[11]以及間隔體的長度[15]等。

基于核酸適配體的開管柱是采用共價(jià)固定的方式將核酸適配體固定在毛細(xì)管內(nèi)壁,最終形成的開管柱對目標(biāo)分析物具有選擇性結(jié)合能力[43,49]。然而與填充柱相比,由于核酸適配體的接枝量很低,開管柱的親和捕獲效率會低很多,另外裸露的毛細(xì)管內(nèi)壁會存在一定程度的非特異性吸附作用,這有可能降低該柱的選擇性[43]。毛細(xì)管內(nèi)壁比表面積太小以及上樣容量的限制使開管柱在SPE中的應(yīng)用有所局限。

與填充柱和開管柱不同,基于核酸適配體的整體柱具有高的孔容量、大的比表面積、良好的滲透性以及快的傳質(zhì)速度等諸多優(yōu)點(diǎn)。Zhao等[29,42]將生物素修飾的適配體固定在整體柱上,用于細(xì)胞色素C、凝血酶等蛋白質(zhì)的捕獲與檢測。研究顯示,整體柱的核酸適配體接枝量[19,25,40]比開管柱[43]和填充柱[24]都要高出很多。

SPME是一種集采樣、萃取、濃縮和進(jìn)樣于一體的裝置,最初在20世紀(jì)90年代時(shí)由Pawliszyn等[50]發(fā)明,在環(huán)境[51]、食品[52]、藥物[53]以及生物[54]檢測方面的應(yīng)用研究吸引了眾多研究者的關(guān)注。基于核酸適配體的SPME已有少數(shù)報(bào)道,比如將腺苷的核酸適配體固定于SPME纖維表面,與商品化的SPME纖維相比,基于核酸適配體的SPME纖維對腺苷表現(xiàn)出更高的親和能力和卓越的選擇性,其萃取效率提高了近20倍[18]。Du等[8]開發(fā)了基于核酸適配體的靜電紡絲納米纖維,并采用聚合物丙烯腈/馬來酸共聚物將該靜電紡絲固定在不銹鋼纖維上。該SPME能夠選擇性地從復(fù)雜樣品中捕獲凝血酶,并具備良好的吸附容量,以及多次重復(fù)利用的能力,可以實(shí)現(xiàn)稀釋20倍的血漿中凝血酶的高選擇性萃取。在與液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)聯(lián)用時(shí),此SPME纖維可用來檢測臨床血漿中的凝血酶,這意味著這種基于核酸適配體的SPME技術(shù)使復(fù)雜樣品中目標(biāo)蛋白質(zhì)的選擇性萃取成為可能。

2 基于核酸適配體的固相萃取過程

基于核酸適配體的SPE過程主要是固定于載體表面的核酸適配體與目標(biāo)分析物之間的結(jié)合與解離的過程。與傳統(tǒng)的SPE過程相似,基于核酸適配體的SPE過程包括3個(gè)步驟:上樣、淋洗和洗脫。與傳統(tǒng)SPE柱不同的是,基于核酸適配體的SPE柱不使用時(shí)需要置于結(jié)合緩沖液中,并保存于4 ℃冰箱。結(jié)合緩沖液是指篩選該適配體時(shí)使用的溶液,另外保存液中也常加入疊氮化鈉。

2.1 上樣

上樣環(huán)境會影響核酸適配體與樣品中目標(biāo)分析物的相互作用,比如溫度[55]、離子強(qiáng)度、pH[56]等。這些因素限制了實(shí)際樣品中目標(biāo)分析物的直接萃取,可采用適當(dāng)?shù)娜軇?shí)際樣品稀釋,改變其離子強(qiáng)度和pH等,再進(jìn)行萃取和富集。

在對固體樣品中的分析物進(jìn)行萃取時(shí),往往先采用有機(jī)溶劑或者水-有機(jī)溶劑來溶解樣品。樣品中有機(jī)溶劑含量較高有可能會影響上樣過程中核酸適配體與目標(biāo)分析物的結(jié)合。多數(shù)情況下,當(dāng)樣品中有機(jī)成分過高時(shí),采用水溶液稀釋后再進(jìn)行萃取[7,26,35,36]。在對液體樣品進(jìn)行萃取時(shí),也常稀釋后再萃取,其目的是減小樣品的黏度[31,43]以及降低生物樣品除蛋白質(zhì)后有機(jī)溶劑的比例[14,32]。比如,在用基于核酸適配體的SPE進(jìn)行樣品中孔雀石綠的萃取時(shí),當(dāng)樣品中甲醇體積分?jǐn)?shù)超過2%,核酸適配體與孔雀石綠形成的復(fù)合物穩(wěn)定性就開始下降[56]；而在赭曲霉素A的萃取研究中,即使樣品中的甲醇體積分?jǐn)?shù)高達(dá)10%～15%,核酸適配體對赭曲霉素A的捕獲效率依然不會下降[7]。

適配體與目標(biāo)分析物之間的相互作用依賴于核酸適配體的分子構(gòu)象,而其構(gòu)象也受到很多因素的影響。一價(jià)和二價(jià)陽離子的存在可能會改變核酸適配體的構(gòu)象,目前已有學(xué)者做過此方面的研究。比如富含鳥嘌呤的核酸適配體可在鉀離子存在時(shí)形成G四聯(lián)體結(jié)構(gòu)[43]。研究者[26]將結(jié)合緩沖液中的鎂離子替換為鈣離子,篩選出了對赭曲霉素A具有更高親和能力的核酸適配體,并且該核酸適配體與赭曲霉素A之間的親和能力不會受到溶液中一價(jià)離子(鈉離子、鉀離子)濃度變化的影響,只要溶液中存在鈣離子或鎂離子,其親和性就會存在,這個(gè)結(jié)果提示離子強(qiáng)度對赭曲霉素A與適配體之間親和能力的影響極小。

2.2 淋洗

SPE過程中,淋洗的目的是將上樣后SPE柱中非特異性吸附的基質(zhì)去除,在此過程中,盡可能不破壞核酸適配體與目標(biāo)分析物的特異性相互作用,而載體材料[14]、核苷酸[36]、間隔體[17]均會對非特異性吸附做出貢獻(xiàn)?？刹捎貌缓泻怂徇m配體的對照材料(如裸露的載體、固定有隨機(jī)序列單鏈核苷酸的材料以及包被有間隔體的載體等)進(jìn)行淋洗過程的優(yōu)化,并通過分析淋洗溶液中的目標(biāo)分析物來確定最佳的淋洗溶劑[35,36]。比如,Wu等[36]采用固定有核酸適配體的磁性納米顆粒作為固相萃取的吸附劑,在優(yōu)化淋洗條件時(shí),分別采用裸露的磁性納米顆粒、固定有隨機(jī)序列核苷酸的磁性納米顆粒作為對照,優(yōu)化了淋洗和洗脫的條件。

2.3 洗脫

為達(dá)到洗脫目標(biāo)分析物的目的,需要破壞核酸適配體與目標(biāo)分析物之間的相互作用。理想的洗脫溶液可以有效破壞目標(biāo)分析物-核酸適配體復(fù)合物,并且不會影響核酸適配體在吸附材料上的固定。常用的洗脫溶液有離液序列試劑(如NaClO4)[48]、變性劑(如尿素、鹽酸胍)[43]、清除劑(如乙二胺四乙酸)[26]、水-有機(jī)溶劑混合液[11,23]等,另外,提高溫度[43]、改變pH[36]等手段對目標(biāo)分析物的洗脫也有幫助。洗脫方法的選取需要考慮分析物的性質(zhì)以及核酸適配體的固定方式。比如,對于由共價(jià)鍵固定的核酸適配體固相萃取柱,可采用60%(體積分?jǐn)?shù))的乙腈洗脫保留在柱上的可卡因;而對于由生物素-鏈霉親和素固定的核酸適配體固相萃取柱,只能采用10%(體積分?jǐn)?shù))的乙腈對目標(biāo)分析物進(jìn)行洗脫,過高的有機(jī)溶劑比例會破壞核酸適配體的固定；對于后者,可通過升溫至60 ℃來提高低有機(jī)溶劑比例洗脫液的洗脫能力[14]。

3 目標(biāo)分析物的檢測方法

SPE得到的目標(biāo)分析物可以通過離線[11]或在線[10]的方式與其他分析方法聯(lián)用進(jìn)行檢測。常用的檢測手段有LC-UV[12]、液相色譜-激光誘導(dǎo)熒光檢測(LC-LIF)[7,11,36]、LC-MS[18]、GC-MS[4,30]、MS[47,57]等，這里不作贅述。

4 應(yīng)用

4.1 小分子

近幾年,已經(jīng)有很多基于核酸適配體的SPE方法用于多種樣品中小分子的萃取,比如人血漿中腺苷[18,31]、可卡因[12,14,33,34]以及四環(huán)素[32]的萃取。其中在可卡因萃取之前,需要先使用結(jié)合緩沖液稀釋樣品[12];而對于四環(huán)素的萃取,則需要先去除樣品中的蛋白質(zhì)[32]。研究最多的小分子是赭曲霉素A[37],文獻(xiàn)報(bào)道了多種樣品中赭曲霉素A的萃取,比如小麥提取物[7,23,26]、姜粉提取物[35]和紅酒[11]等。Lin等[4]將核酸適配體固定于富含有機(jī)金屬骨架的SPME纖維表面,對魚肉樣品中的多氯聯(lián)苯進(jìn)行了選擇性萃取富集,并結(jié)合GC-MS建立了魚肉中多氯聯(lián)苯的檢測方法,該方法的檢出限可達(dá)0.003 μg/L。

4.2 大分子

基于核酸適配體的SPE柱萃取樣品中的大分子也有少數(shù)報(bào)道。比如培養(yǎng)基中L-selectin蛋白質(zhì)的萃取[28],血液中的β1-受體的清除[45],大腸桿菌溶解產(chǎn)物中組氨酸標(biāo)記白的凈化[46],血清[39,41,57]、血漿[44]以及血液[58]中凝血酶的萃取等。

5 總結(jié)與展望

目前已經(jīng)開發(fā)了很多基于核酸適配體的SPE材料及裝置,由于核酸適配體對目標(biāo)分析物的高親和性和高特異性,基于核酸適配體的SPE技術(shù)在復(fù)雜樣品中痕量組分的選擇性萃取、分離、純化和富集中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)然基于核酸適配體的SPE技術(shù)的發(fā)展也有一定局限,比如目前已篩選出的核酸適配體數(shù)量有限、大規(guī)模生產(chǎn)核酸適配體的費(fèi)用太高、核酸適配體自身穩(wěn)定性不夠等。針對以上問題,基于核酸適配體的固相萃取技術(shù)的發(fā)展趨勢有以下兩方面。

(1)發(fā)展更有效的核酸適配體篩選技術(shù)。目前,除了已經(jīng)發(fā)展的SELEX,新的適配體篩選方法如磁性快速適配體篩選協(xié)議[59]、毛細(xì)管電泳適配體篩選技術(shù)[60]已經(jīng)問世。相信不久的將來會開發(fā)出更多更簡單、更快速、更容易的適配體篩選方法。

(2)發(fā)展更簡單且自動化的SPE技術(shù)?，F(xiàn)階段,基于核酸適配體的SPE技術(shù)還處于發(fā)展初期,為達(dá)到更滿意的SPE效果,基于核酸適配體的SPE技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)為更小的樣品用量、更少的有機(jī)溶劑使用量、更簡化的固相萃取步驟以及更自動化的萃取裝置。此外,多種核酸適配體功能化的吸附劑也是發(fā)展方向之一,可用于復(fù)雜樣品中多種分析物的同時(shí)萃取、分離、純化和富集。

綜上所述,隨著技術(shù)的進(jìn)步,基于核酸適配體的SPE技術(shù)在復(fù)雜樣品中痕量組分的萃取、分離、純化和富集領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。

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Research progress of aptamer application insolid phase extraction technique

WANG Weiwei, LIU Suqin, XUE Yun, WANG Yan*, YAN Chao*
(SchoolofPharmacy,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Aptamers are short single-stranded oligonucleotides within randomly synthesized nucleic acid libraries by a systematic evolution of ligands by exponential enrichment. Because of specific identification for target molecule, solid phase extraction technique based on aptamers exhibits great potential for extraction, separation, purification and enrichment of trace-target analytes from complex samples, and it attracts more and more attention. This article brings a comprehensive survey of recent developments of solid phase extraction techniques based on aptamers, including the preparation of aptamer-based sorbents, the solid phase extraction procedure and the applications of aptamer-based solid phase extraction. Limits and prospects for aptamer-based solid phase extraction are also discussed.

solid phase extraction (SPE); sample pretreatment; affinity adsorption; aptamer; complex sample; review

10.3724/SP.J.1123.2016.08033

2016-08-29

上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(15142200200);上海市教育委員會科研創(chuàng)新項(xiàng)目(14YZ170);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M581628).

Foundation item: Research and Development Program of Shanghai Municipal Science and Technology Commission (No. 15142200200); Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission (No. 14YZ170); China Postdoctoral Science Foundation Funded Project (No. 2015M581628).

O658

:A

:1000-8713(2017)01-0099-06

*通訊聯(lián)系人.Tel:(021)34205673,E-mail:wangyan11@sjtu.edu.cn(王彥);Tel:(021)34205673,E-mail:chaoyan@sjtu.edu.cn(閻超).