砷适体识别机理及微量砷检测体系的研究

Aptamer is a research focus in the field of heavy metal detection due to its excellent specificity. However, mechanism of arsenic-aptamer has remained obscure, which hindered the diversity of aptamer design and the high sensitivity of arsenic detection. In order to resolve this scientific problem, theoretical and experimental researches are both studied for the mechanism of arsenic aptamer. Firstly, molecular simulation software was used to model the arsenic-aptamer structure, and calculate the dynamic changes of molecular energy in process of DNA aptamer binding with arsenic by valence-bond theory and molecular orbital theory of quantum chemistry. A optimized model will be obtained by experimental verification. Then, the orderly coupling mechanism of DNA on glass chips was analyzed to confirm the immobilization scheme. And the binding and dissociation reaction system will be developed respectively. Finally, the microfluidic chips are designed and fabricated based on micro electro mechanical systems (MEMS) technology. The fluids mixing behavior along the channels will be tested and evaluated. And these chips will be utilized to explore the rule of aptamer catching and releasing arsenic. This study will illuminate the mechanism of arsenic-aptamer, and realize the directional design of arsenic-aptamer structure, which will lay a solid foundation for improving sensitivity of arsenic detection, and is important to realize the real-time online monitoring of arsenic contamination in water area.

适配体技术因其出众的特异性识别能力，成为重金属检测领域的一个研究热点。然而砷适体的作用机理至今尚不明确，阻碍了砷适体的多样化结构设计和高灵敏检测。为解决这一科学问题，本项目拟将从理论分析和实验相结合的角度对砷适体的作用机理进行研究。首先利用分子模拟软件建立适体-砷的构象模型，利用量子化学的分子轨道理论和价键理论计算适体与砷结合过程中的能量动力学变化，获得最稳定模型并进行实验验证；然后，以玻片为基底，对核酸分子的有序偶联机理进行分析，确定核酸固定化方案，建立核酸适体与砷的结合和解离反应体系；最后，基于对样品反应流路的设计，采用微机电加工技术（MEMS）制作微流控芯片，对溶液在通道内的流动混合效果进行测试，并在该装置上探索适体对砷的结合与解离动力学规律。本项目将阐明砷与适体的相互作用机理，实现砷适体的定向设计，为提高水砷的检测灵敏度奠定科学基础，对推动水砷污染的实时在线监测具有重要意义。

适配体技术因其出众的特异性识别能力，成为重金属检测领域的一个研究热点。然而砷适体的作用机理一直并未明确，阻碍了砷适体的多样化结构设计和高灵敏检测。本项目从理论分析和实验相结合的角度对砷适体的作用机理进行了研究。. 首先，利用Mfold软件对砷核酸适配体的二级结构进行预测，经过适配体活性位点评估，截取可能包含结合位点的序列，获得一系列长度较短（15-40 mer）且能特异性结合无机砷的新型核酸适配体，成功用于砷的检测。利用纳米金粒子的尺寸效应，结合适配体建立了一种简单、快速、检测结果直观可视的无机砷检测方法；并在此基础上发展出了一种能够快速筛选砷（Ⅲ）适配体的比色方法。相对于耗时长、成本高的传统适配体筛选技术-指数富集配体系统进化（SELEX），比色法具有操作简单、筛选速度快、检测结果直观、无需经过多轮筛选的优点，30分钟即可完成一批次适配体的优化筛选。基于筛选优化的重金属核酸适配体，利用电化学以及晶体石英微天平技术分别构建了无机砷等重金属的高灵敏检测体系，检测灵敏度达到0.5-10 nmol/L 级别。利用量子化学计算，研究了As(III)与DNA 4种碱基的配位作用，构建了不同的三配体分子作用模型，通过对配位键及自由能的计算，结果显示鸟嘌呤G对As(III)有较强的亲和力.利用核磁共振技术进一步确认了砷核酸适配体的结合位点，并利用分子模拟软件进行了确认分析。. 本项目的研究探明了砷与其适配体的相互作用机理，实现了砷适体的定向设计，为提高水砷的检测灵敏度奠定了科学基础，对推动水砷污染的实时在线监测具有重要意义。