Nat. Sustain: 超靈敏和高選擇性的鍶離子檢測

Nat. Sustain: 超靈敏和高選擇性的鍶離子檢測

charfreen

一、【導讀】

? ? ? ?2021年日本政府決定將福島第一核電站的上百萬噸核廢水排入大海的新聞轟動了全世界。福島第一核電站的核廢水含銫、鍶（Sr）、氚等多種放射性物質，尤其是Sr，具有高毒性，其放射性半衰期長達29年。當鍶進入骨組織后,主要蓄積于長骨靠近骨髓腔的無機質中，還會沉積在骨骼和食物鏈中，吸入過量的鍶可導致心臟和神經系統疾病，包括嚴重的呼吸困難、過敏反應和極度心跳過速。此外，有證據表明，⁹⁰Sr的β輻射可引起骨癌和白血病。因此如何處理輻射性鍶離子以及實現快速檢測引起了人們的高度重視。

? ? ? 傳統的光譜和電位檢測技術需要復雜的樣品預處理和大型儀器，這使得它們不適合直接的現場測試和全面的Sr監測。脫氧核糖核酸（DNA）生物傳感器具有對特定物質的特定識別位點，為快速、方便和廉價檢測Sr提供了一種有前景的替代方法。但是目前存在的DNA熒光分子需要添加額外的金屬離子來協助觸發G-quadruplex（鳥嘌呤四聯體）四重結構的形成，同時表現出較低的初始熒光強度，并且相關檢測機理尚不清楚。因此，⁹⁰Sr的靈敏檢測由于缺乏證明其存在的特征能量射線依然是一個挑戰。

二、【成果掠影】

? ? ? 近日，海南大學王寧教授團隊研究了一種DNA鏈生物傳感器，能夠以超靈敏和高選擇性的方式檢測Sr²⁺離子。利用熒光分子硫黃素T（ThT）生成ThT誘導的G-四鏈DNA（TiG4-DNA）。ThT誘導DNA配體（一個富含G的DNA片段5′-AGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG-3′)轉變為G-四重結構。由于Sr²⁺離子對G-四聯體的結合親和力高于ThT，隨后加入的Sr²⁺離子在TiG4-DNA中與ThT競爭，導致ThT的釋放，從而降低了檢測Sr²⁺離子的熒光強度，實現了2.11 nM的超低檢出限和較高的檢測選擇性。相關的研究成果以“Ultrasensitive and highly selective detection of strontium ions”為題發表在nature sustainability上。

三、【核心創新點】

√ 作者開發了一種新型生物傳感器，利用一種熒光染料ThT觸發DNA折疊形成鳥嘌呤四重結構。由于該DNA結構對Sr²⁺具有較高的結合親和力，當暴露于微量Sr²⁺時，ThT被釋放，進而導致熒光強度衰減，實現超低檢測限。

√ G-四元體中Sr²⁺合適的配位結構使得Sr²⁺離子對其他共存金屬離子具有很強的競爭力，選擇性遠高于具有相似特性的Ca²⁺。

√ 采用擴展x射線吸附精細結構(EXAFS)分析確定了Sr在G-四聯體中的精確化學環境，DFT理論計算表明Sr與G-四方平面中G單位的羰基O原子相配位，證明了G-四重結構對Sr²⁺離子具有較高的親和力。

四、【數據概覽】

圖1 TiG4-DNA的|熒光特性 a，Sr²⁺離子對熒光強度的影響，激發波長為446 nm，發射波長為490 nm。b，熒光強度與Sr²⁺離子濃度的擬合。c，Sr²⁺離子濃度與熒光強度的線性關系。d，單個離子觸發的熒光衰減(在100 nM處)。F₀, TiG4-DNA的初始熒光強度。e，潛在干擾離子對TiG4-DNA對Sr²⁺離子(100 nM)熒光響應的影響。f，Ca²⁺、Ba²⁺、Na⁺、K⁺等多種離子(10 mM)共存對Sr²⁺離子(100 nM)熒光衰減的影響。在b,c中，數據以平均值±標準差(n = 3)表示。在d-f中，數據以單個值±標準差(n = 3)表示。? 2023 Springer Nature

圖2 TiG4-DNA用于Sr²⁺離子檢測的適用性。a，環境水樣中鍶離子的檢測。還顯示了通過ICP-MS獲得的檢測結果。數據以均數±標準差(n = 10)表示，并顯示每個試驗的數據點。b，目前可用的化學方法適用的Sr²⁺離子檢測范圍的比較。參考編號表示的方法見補充表1。美國環保署規定的飲用水中Sr²⁺的濃度限值如綠色虛線所示。? 2023 Springer Nature

圖3 TiG4-DNA與Sr²⁺離子、ThT等典型金屬離子的|結合機制。a，與Sr²⁺離子相互作用前后TiG4-DNA O 1s的高分辨率XPS譜。b-d，EXAFS分析的k空間譜(b)，r空間譜(c)和與TiG4-DNA結合的Sr2+離子的電荷分布(d)。e,f，計算得到的Sr²⁺離子(e)和ThT及其他典型金屬離子(f)的電子密度等值面。黃色和青色等值面分別代表電荷的積累和消耗。? 2023 Springer Nature

圖4 TiG4DNA的Sr²⁺離子檢測機制示意圖。a，TiG4-DNA檢測Sr²⁺離子的機理。研究了熒光增強的機理。與其他金屬離子和熒光分子相比，Sr²⁺離子具有更高的競爭力，這使得TiG4-DNA對Sr²⁺離子的檢測具有較高的特異性。b，不同金屬離子與ThT與G-四重絡合物相互作用的比較。給出了計算得到的金屬離子吸附能。? 2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

ThT作為一種水溶性熒光染料，在水環境中顯示微弱熒光，由于G-四重體與ThT之間的靜電相互作用和π-π疊加使ThT發生構象轉變，使TiG4-DNA具有較高的初始熒光強度，因此作者選用這種鳥嘌呤四聯體與Sr²⁺之間存在的可置換關系展示了一種高靈敏度的生物傳感器來檢測Sr²⁺。與ThT相比，Sr²⁺離子對G-四聯體結構具有更高的結合親和力，ThT與G-四聯體結構之間的相互作用容易被Sr²⁺離子破壞，DFT計算表明，較小半徑的金屬離子(包括Na⁺和Ca²⁺)的結合導致G-四重結構平面的縮小，從而降低了G-四重結構的穩定性。該檢測方法實現了超靈敏的檢測性能，超低檢出限為2.11 nM，具有較高的選擇性，是目前性能最好的Sr²⁺離子檢測方法之一。超低的檢出限極大地拓寬了該方法在含有微量sr的多種環境下的適用性。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41893-023-01095-8

本文由charfreen撰稿