纳米生物传感器用于Hg2+的快速高灵敏检测！

小冬

2018-08-08

第一作者：Yuxiang Feng, Xiangli Shao

通讯作者：罗云波、许文涛

通讯单位：中国农业大学

研究亮点：

1. 设计了一种Hg²⁺诱导的多功能Hg²⁺纳米阶梯结构，可同时实现靶标分子的识别、信号转换和放大。

2. 建立了“turn-on”型荧光传感器，最终实现Hg²⁺的快速定量检测。

Hg²⁺是一种全球性重金属污染物，实现Hg²⁺的快速、灵敏检测对环境保护和人类健康具有重要意义。同其他金属离子一样，Hg²⁺的检测方法也经历了由仪器分析到传感器检测的过程。传统的仪器分析法在灵敏度和准确性方面具有明显的优势，但昂贵的设备和繁琐的样品处理过程使其难以广泛应用。

传感器检测法具有简单、快速、不需要大型仪器等优势，可弥补仪器分析法的不足。近年来，基于功能核酸和纳米材料的生物传感器被越来越多的应用Hg²⁺等重金属离子的快速检测上。这类传感器的基本原理是信号转导，重金属离子的化学信号作为信号输入，在核酸、小分子、电化学材料、金属纳米粒子和蛋白酶等的辅助下可以被转化为其他信号被输出，例如光学信号和电化学信号等。

但是大多数基于分子生物学的方法仍具有一定的局限性，因为会涉及分子修饰或一些需要依赖蛋白酶的过程。因此，仍需要更简单、更直接的传感器方法以实现Hg²⁺的快速检测。

有鉴于此，中国农业大学罗云波教授与许文涛副教授团队建立了一种基于Hg²⁺纳米阶梯和GO的Hg²⁺快速检测方法。

当期封面截取

首先，研究人员分别用圆二色谱（CD）和原子力显微镜（AFM）对Hg²⁺纳米阶梯及GO的结构进行表征。测试结果表明，与无Hg²⁺的单链序列相比，加入Hg²⁺形成的纳米阶梯显示出轻微的红移，且特征峰下降，表明在Hg²⁺可诱导纳米阶梯的形成。实验所用的GO的厚度大约为1.6 nm，符合单层石墨烯的特征。

图1 Hg²⁺纳米阶梯及GO的表征

然后探究缓冲液对Hg²⁺纳米阶梯的搭载效率和GO淬灭效率的影响。通过计算荧光淬灭率η=(F₀-F)/F₀，得出在Tris-HCl缓冲液中，体系荧光背景值最低，且GO对单双链的淬灭效率差异最大。在此基础上，研究人员又对Tris-HCl缓冲液进行了进一步的优化，确定了Tris-HCl缓冲液中各类成分（Tris、NaCl、Mg²⁺）的最佳比例，最终选择Tris-HCl B1作为最佳缓冲液并用于后续实验。

图2 Hg²⁺纳米阶梯缓冲液优化

研究人员还发现引物浓度，尤其是FAM-P1的浓度需要受到严格的调控和优化。同时，为了实现Hg²⁺的快速检测，反应时间的优化也十分重要。实验结果表明，随着孵育时间的延长，荧光淬灭效率迅速增加，约10 min后达到稳定状态。稳定状态下，当FAM-P1的浓度为50 nM时，GO对单链、普通双链及Hg²⁺纳米阶梯体系的区分最明显，信噪比最高。

图3 Hg²⁺纳米阶梯孵育时间及引物P1浓度优化

最后，研究人员对搭载的传感器的性能进行评估。通过绘制标准曲线，实现了基于Hg²⁺纳米阶梯和GO传感器的Hg²⁺的定量检测。数据表明，该传感器的线性区间为0~8 nM，标准曲线为y = 278.63 + 41.075x（R²=0.9804），最低检测限为1.5 nM。

图4 Hg²⁺的定量与特异性分析

总之，该研究通过引入功能核酸材料Hg²⁺纳米阶梯，结合纳米材料氧化石墨（GO），建立了能够在无酶、恒温条件下实现Hg²⁺定量检测的生物传感器。

参考文献：

Feng Y, Shao X, Huang K, et al. Mercury nanoladders: a new method for DNA amplification, signal identification and their application in the detection of Hg (ii) ions[J]. Chemical Communications, 2018.

DOI: 10.1039/c8cc03851a

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/cc/c8cc03851a