中國農業大學羅云波&許文濤團隊ChemCommun內封面文章：基于核酸納米階梯和氧化石墨烯的Hg2+非酶恒溫快速檢測技術

【引言】

Hg²⁺是一種全球性重金屬污染物，實現Hg²⁺的快速、靈敏檢測對環境保護和人類健康具有重要意義。同其他金屬離子一樣，Hg²⁺的檢測方法也經歷了由儀器分析到傳感器檢測的過程。傳統的儀器分析法例如原子吸收/發射光譜法，原子熒光光譜法和質譜法等在靈敏度和準確性方面具有明顯的優勢，但昂貴的設備和繁瑣的樣品處理過程使其難以廣泛應用。

傳感器檢測法可彌補儀器分析法的不足，具有簡單、快速、不需要大型儀器等優勢。近年來，基于功能核酸和納米材料的生物傳感器被越來越多的應用到Hg²⁺等重金屬離子的快速檢測上。這類傳感器的基本原理是信號轉導，重金屬離子的化學信號作為信號輸入，在核酸、小分子、電化學材料、金屬納米粒子和蛋白酶等的輔助下可以被轉化為其他信號被輸出，例如光學信號和電化學信號等。但是大多數基于分子生物學的方法仍具有一定的局限性，因為會涉及分子修飾或一些需要依賴蛋白酶的過程。因此，仍需要更簡單、更直接的傳感器方法以實現Hg²⁺的快速檢測。

【 成果簡介】

近日，中國農業大學羅云波教授和許文濤副教授（共同通訊作者）團隊在Chemical Communications雜志在線發表了一篇題為“Mercury nanoladders: a new method for DNA amplification, signal identification and their application in the detection of Hg(II) ions”的文章，建立了一種基于Hg²⁺納米階梯和氧化石墨烯（GO）納米材料的Hg²⁺快速檢測的方法。Hg²⁺納米階梯是建立在DNA超夾心結構上的一種新的核酸結構。本研究依靠T-Hg-T結構對超夾心DNA進行了改造，形成一種Hg²⁺拉力誘導的新型Hg²⁺納米階梯結構。這種新型Hg²⁺依賴型組裝元件，輔以熒光基團修飾輔助，除信號放大的作用外，可以作為Hg²⁺的靶標分子識別和信號轉化元件。

研究表明，GO的大π共軛結構和DNA中的堿基具有很強的π-π相互作用，因而單鏈DNA可以高效吸附在GO的表面，但對于雙鏈DNA，由于具有芳香結構的堿基處于DNA雙螺旋結構的內側，外側帶負電性的磷酸骨架對其有屏蔽作用，使其與同樣帶負電性的GO彼此發生靜電排斥，所以雙鏈DNA不能被穩定的吸附在GO表面。利用GO對單雙鏈吸附能力的差異性質，結合熒光素分子與GO之間的熒光共振能量轉移，建立了“turn-on”型熒光傳感器。在無Hg²⁺存在的情況下，沒有Hg²⁺的誘導，不能形成T-Hg-T結構，納米階梯不能形成，GO將淬滅標記有熒光分子的單鏈引物的熒光信號。在Hg²⁺存在的情況下，Hg²⁺可以成功誘導納米階梯的形成，GO不能淬滅生成的納米階梯上的熒光分子的熒光信號，實現Hg²⁺的快速高靈敏檢測。與以前報道的技術相比，Hg²⁺納米階梯-GO傳感器能夠在40 min之內實現Hg²⁺的定量檢測。

?【圖文導讀】

?圖1. Hg²⁺納米及GO的表征?

（a）用圓二色譜（CD）表征有無Hg²⁺時Hg²⁺?納米階梯二級結構的變化，其中藍色的曲線代表沒有Hg²⁺存在；紅色的曲線代表有Hg²⁺存在；綠色的曲線代表Tris-HCl Buffer。

（b）GO在原子力顯微鏡（AFM）下的表征，標尺500nm。

?圖2. Hg²⁺納米階梯緩沖液優化

（a）緩沖液種類優化；

（b）Tris-HCl Buffer 中Tris含量優化；

（c）Tris-HCl Buffer 中NaCl含量優化；

（d）Tris-HCl Buffer 中Mg²⁺含量優化。

圖3. Hg²⁺納米階梯孵育時間及引物P1濃度優化

（a-d）GO對不同孵育時間、不同濃度引物P1搭載的納米階梯10 nM (a) 20 nM (b) 50 nM (c)和100 nM (d)的熒光淬滅效率曲線圖，其中藍色的曲線代表P1+ P2；紅色的曲線代表P1+ P2 +Hg²⁺,；綠色的曲線代表P1 +T1。

圖4. Hg²⁺的定量與特異性分析

（a）Hg²⁺納米階梯-GO傳感器檢測區間及標準曲線；

（b）Hg²⁺納米階梯-GO傳感器特異性分析。

【小結】

（1） 本研究通過引入功能核酸材料Hg²⁺納米階梯，結合納米材料氧化石墨烯（GO），建立了能夠在無酶、恒溫條件下實現Hg²⁺定量檢測的生物傳感器。

（2） 通過對Hg²⁺納米階梯序列、緩沖環境、引物濃度等因素的調整和優化，論證了Hg²⁺納米階梯結構相較于傳統雙鏈結構在GO體系中具有更高的靈敏度，論證了搭載Hg²⁺納米階梯的必要性。

（3） 該生物傳感器實現了Hg²⁺的快速檢測，檢測時長40 min。定量檢測限為1.5 nM，檢測區間為0~20 nM，具有良好的特異性，且能夠用于實際樣品的檢測。

文獻鏈接：Mercury nanoladders: a new method for DNA amplification, signal identification and their application in the detection of Hg (II) ions (Chem. Commun., 2018, 54, 8036, DOI: 10.1039/c8cc03851a)

【通訊作者及團隊簡介】

羅云波教授：國際食品科學院院士，國務院食品安全委員會專家委員會委員，國家農業轉基因生物安全委員會委員，農業部質量安全專家組委員，中國園藝學會園藝產品采后分會理事長，中國農學會農產品貯藏加工分會副理事長，農產品貯運保鮮產業技術創新戰略聯盟理事長，中國食品學會理事，北京食品協會副主席，全國高校食品學院院長聯誼會會長。現任農業部農產品質量監督檢測中心（北京）副主任，農業部轉基因生物食用安全監督檢驗檢測中心（北京）工作常務副主任。

長期從事食品安全控制理論與工程技術研究，在食品和食用農產品安全檢測新技術與裝備研究、農產品采后質量保持與安全控制、食品安全管理與風險評估等領域取得了豐碩成果。發表SCI論文140篇，其中IF 5.0以上的20篇；獲得發明專利15項；國家科技進步二等獎 1 項、省部級科技進步二等獎4項；作為核心專家參與國家食品安全監管系統工程、農產品質量安全監管工程、農產品風險評估工程的頂層設計；對我國食品及農產品安全監管工程的科技創新做出了突出貢獻。

許文濤副教授：現任農業部農業轉基因生物安全評價（食用）重點實驗室副主任，農業部農產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室（北京）副主任，農業部農產品質量監督檢測中心（北京）副主任。獲得國家級教學成果獎1項、省部級二等獎4項、三等獎2項。榮獲教育部新世紀優秀人才、北京市科技新星等稱號。主持和參與國家級、省部級課題30余項，發表SCI論文100余篇，榮獲授權國家專利19項，出版英文專著3本。

近5年，針對不同食品安全風險因子檢測方法各異現象，將功能核酸修飾在金納米材料表面，利用功能核酸將各種風險因子信號統一轉化為核酸信號，提出功能核酸統一化快檢思路，建立功能核酸數據庫，搭建功能核酸和金納米材料為基礎的食品安全快檢技術體系，發表相關論文56篇，其中SCI收錄論文38篇（代表性的有：Biosensors and Bioelectronics, 2018,117: 75-83；?ACS applied materials & interfaces, 2017, 9(46): 40671-40680；Chemical Communications, 2018，54, 8036-8039；Analytical chemistry, 2018, 90(9): 5586-5593；Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, 260: 870-876.）。

本文由dongxiaomai供稿，材料牛整理編輯。

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