从终端到云端：结合DNA探针设计与量子点荧光特性的现场水质检测方法和数据分析

Recently, water safety is becoming a severe social concern in China; especially the pollution of heavy metals and antibiotics from industrial processes and medical abuse is one of the key problems. Therefore, it is of great urgency to develop accurate, rapid, sensitive detection technologies for on-site screening and monitoring of water quality. ..In this proposal, we will establish a novel analytical system based on the design of DNA molecular probes that are conjugated to florescent quantum dots, aiming at the detection of heavy metal ions (e.g., Pb2+, Hg2+ and As3+) and antibiotics (sulfamethoxazole, sulfadiazine, and sulfamerazine) in water. Particularly, a three-color (yellow, green and blue) sensing array will be created on modified/patterned filter paper by combining the DNA molecular design and fluorescence resonance energy transfer (FRET) properties of quantum dots (QDs). The RGB information form the QDs fluorescent signal will be directly analyzed by using smartphones, to achieve the on-site detection of heavy metals and antibiotics in water. In addition, through the statistical analysis of large quantity of data (on-site water analysis results) unloaded from smartphones to the cloud database, the time-dependence and spatial distribution of contamination levels of water contamination can be mapped. The advantages of simplicity, speed and portability of this spectrometer-less platform technology augment its versatile applications in many areas such as medical diagnosis, environmental monitoring, and food safety.

我国近年来水质安全事故频频发生，水中重金属和抗生素的污染程度和危害程度尤为突出。研究与开发准确、快速、检出限低、操作简单的现场定量检测方法对于保证水质安全将起到至关重要的作用。. 申请项目旨在开发基于DNA分子探针—量子点纳米复合结构的水中重金属以及磺胺类抗生素现场检测方法。实验中将DNA分子探针的设计与量子点荧光能量共振转移技术结合，在特殊改性滤纸表面制备黄绿蓝三色检测阵列；利用智能手机对量子点荧光信号的RGB颜色通道进行分析，实现水中代表性重（类）金属（Pb2+、Hg2+和As3+）或抗生素（磺胺甲噁唑、磺胺甲嘧啶和磺胺嘧啶）的快速定量检测。现场检测的实验结果将通过智能手机实时传输至云端，再通过合理的数据统计分析，得到水中重金属与抗生素的时间与空间分布规律。该方法无需专业仪器，操作简单、快速，并可实现在线或现场检测；可推广到医学诊断、环境监测和食品安全等多个领域。

近年来，环境污染问题日益严重，严重威胁着人类生命健康。其中，水中重金属和抗生素的污染和危害程度尤为突出。研究与开发准确、快速、检出限低、操作简单的现场定量检测方法对于保证水质安全将起到至关重要的作用。随着智能手机的快速发展及高度普及，大大推动了基于智能手机的各类便携式应用设备及仪器的开发研究。. 比色分析法作为一种新型的快速检测方法，被广泛应用于疾病诊断、食品安全检测以及环境监测等领域。本项目研发了一种智能手机数字图片比色技术的生化检测平台技术，主要完成以下三部分工作：（1）研究开发了滤纸超疏水化技术以及棉织物的超疏水化和抗菌化技术，并且利用滤纸超疏水化技术，通过“剪切-粘贴”法，将多层疏水基底与亲水通道组装到一起制3DμPAD高通量微流控纸芯片，同时利用超疏水技术和“剪切-粘贴”法实现了硬质涂层表面制备通道和生物阵列；（2）结合重金属DNA链和荧光能量共振转移的荧光强度变化以及纳米金-抗生素适配体链结构的颜色变化分别实现了重金属和抗生素的定量检测，检测限都满足并超过国家标准；（3）利用开发的手机APP 软件分析色度学值进行实时分析，建立了基于智能手机的重金属、磺胺类抗生素的高通量定量在线检测体系。该检测平台不需要专门的培训或复杂的仪器，操作简单、快速，可实现在线或现场检测；可推广到医学诊断、环境监测和食品安全等多个领域。. 项目执行期间发表SCI论文8篇 (SCI 1区4篇，2区1篇、3区3篇)，其中部分论文发表于ACS Applied Materials & Interfaces，Sensors and Actuators B，Scientific Reports，RSC Advances，Analytical Chemistry等国际知名期刊。授权发明专利5项，授权外观和实用新型专利4项，授权计算机软件著作权7项，申请发明专利12项。所研发食品安全速测仪，获2016 年全国科技工作者创新创业大赛银奖。共培养博士生2名，硕士生15名，10名获硕士学位。