基于功能核酸的倏逝波并行重金属检测方法的研究

The heavy metal pollution is a very big issue in China now. How to expeditiously measure these heavy metal ions in aqueous environment is urgently needed to be solved. The existing methods, however, cannot meet this requirement. In the light of the imperative demands, a new type of detector for heavy metal ions measurement would be designed and developed in this study, based on the particular identification capability of functional nucleic acids(FNAs)to metal ions. The core of the detector is a highly-sensitive fluorescent probe, which is established on the combination of the FNAs and fluorescence technology. Then, the probe would be stabilized on the surface of the chips to devise the detector by evanecent wave. In the consideration of different detecting strategies, the detector can be designed to parallel detect different types of metal ions. This heavy metal detecting technology would have very sensitive, precise, expeditious and portable properties, and would be a complement to the conventional detection methods.

针对我国水体中重金属离子快速检测方法不足的问题，本研究基于功能核酸在分子水平上对不同重金属离子的高特异识别能力，通过分子信标等荧光技术手段，设计出不同重金属离子的检测策略，结合自主研制的倏逝波微流控检测平台，开发出高效保持不同功能核酸空间构型的固定方法，利用重金属离子导致功能核酸杂交前后荧光强度的变化定量重金属浓度，并开发出再生的方法和控制、消除环境干扰与交叉反应影响的手段，最终构建出不同重金属离子的并行检测新方法，实现对汞、铅、砷等重金属离子同时、灵敏、准确、快速、便捷的检测。将该方法与目前的仪器检测方法相配合，可满足未来我国水域重金属检测的现场化、即时化、网络化等技术需求。

本项目经过四年努力，完成了研究目标的全部要求。通过功能核酸的设计、修饰和固定，实现了Pb2＋、Hg2＋；Pb2+、Cu2＋；UO22+、Hg2＋等重金属离子的并行检测策略的开发与设计，为基于功能核酸倏逝波生物传感器检测方法的开发夯实了基础；通过采用控制硅烷化剂水解和高温处理的手段，并优化功能核酸固定浓度、时间等反应条件，在分子层面上实现了功能核酸在表面识别层内的结构和空间取向的可控调整，为提高检测的灵敏度、精确性和重复性提供了重要的技术支持，对于Hg2＋检测限可达22pM，Pb2＋可达20nM；通过对功能核酸检测重金属离子环境影响因素的系统性研究，确定了检测方法所适合的边界条件，如离子强度、腐植酸含量、水样盐度等，同时还通过检测标准化流程的开发，进一步为该技术的应用和推广提供了重要的物质保证，从而使该技术在中国环境监测总站等单位得到了应用；最后通过开发微流控检测平台，极大的减少了样品使用量和缩减了检测步骤，有效的实现了并行和快捷检测，对于Pb2＋、Hg2＋离子的并行检测，检测限分别为10nM和7nM；对于UO22+、Hg2＋检测限分别为18nM和13nM，完成一次循环检测仅需要15min。此外还在研究领域进一步开发了基于功能核酸的宽范围Hg2＋响应倏逝波生物传感器；高灵敏UO22＋的快速检测倏逝波生物传感器和石墨烯场效应管Pb2＋离子生物传感器上，均取得了较好的检测效果。.在项目研究过程中共发表11篇研究论文，其中 SCI 收录5篇，中文核心1篇，会议论文5篇，申请发明专利13项，资助1名博士后完成出站报告，培养博士生2名，培养硕士生1名。.最终基于本项目研究构建出的不同重金属离子的并行检测新方法，实现对汞、铅、铀等重金属离子同时、灵敏、准确、快速、便捷、经济的检测，可为未来我国水域重金属检测的现场化、即时化等需求提供重要的技术支持。