地化所建立基于生物傳感器的土壤重金屬檢測(cè)系列新方法

傳統(tǒng)重金屬檢測(cè)方法依賴大型儀器，需要復(fù)雜繁瑣的前處理過(guò)程、高昂的檢測(cè)成本和較長(zhǎng)的檢測(cè)周期。同時(shí)，傳統(tǒng)檢測(cè)方法面臨著靈敏度不高和智能化程度低的問(wèn)題。因此，亟需建立高靈敏度及智能化重金屬檢測(cè)方法，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足。生物傳感器是快速檢測(cè)方法，具有響應(yīng)迅速、成本低、靈敏度高及便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可以較好地克服傳統(tǒng)檢測(cè)方法的局限，在重金屬簡(jiǎn)單、快速、高靈敏檢測(cè)方面頗具應(yīng)用前景。

中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員劉承帥團(tuán)隊(duì)與廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所研究員陳俊華等，建立了以功能核酸為分子識(shí)別元件的重金屬生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重金屬的超靈敏、智能化快速檢測(cè)，并構(gòu)建了土壤有效態(tài)重金屬檢測(cè)新方法。

該團(tuán)隊(duì)建立了dna網(wǎng)狀納米結(jié)構(gòu)生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤重金屬的超靈敏檢測(cè)?？蒲腥藛T創(chuàng)新性地以雙莖環(huán)dna探針為自組裝元件。當(dāng)反應(yīng)體系存在待檢重金屬(以鈾離子為例)，釋放的核酸片段可激活dna組裝，經(jīng)過(guò)多重循環(huán)的核酸雜交及鏈置換反應(yīng)，形成dna網(wǎng)狀納米結(jié)構(gòu)的熒光生物傳感器。該熒光生物傳感器對(duì)鈾離子的檢測(cè)線性范圍為10 pm到1 mm，檢測(cè)限為2 pm，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤樣品中痕量鈾污染的超靈敏檢測(cè)。該熒光生物傳感器操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速、信號(hào)擴(kuò)增效率高效，為土壤重金屬的超靈敏檢測(cè)提供了新方法。

該研究建立了分子邏輯門生物傳感器，在分子水平上實(shí)現(xiàn)了重金屬的智能化檢測(cè)。研究以有效態(tài)鉛和有效態(tài)鎘兩種重金屬為目標(biāo)物，基于二進(jìn)制原理，以0和1對(duì)重金屬進(jìn)行編碼，以功能核酸為重金屬分子識(shí)別元件，通過(guò)核酸并行運(yùn)算和雜交反應(yīng)，構(gòu)建了多種分子邏輯門生物傳感器，包括or、and、xor、inhibit、半加器、半減器等。在生物傳感邏輯運(yùn)算中，0表示檢測(cè)體系中不存在有效態(tài)鉛或鎘;1表示檢測(cè)體系中存在有效態(tài)鉛或鎘。以fam和cy5進(jìn)行雙通道熒光標(biāo)記，根據(jù)真值表排布，不同的重金屬組合會(huì)產(chǎn)生不同的熒光輸出信號(hào)，從而在分子水平上為重金屬的智能化檢測(cè)提供了一套新的傳感體系。

該工作建立了dna熒光生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤有效態(tài)重金屬的免萃取、簡(jiǎn)單、快速檢測(cè)。目前，土壤有效態(tài)重金屬檢測(cè)方法較多，如bcr法、maiz三步連續(xù)提取方法、tessier五步連續(xù)提取法、dtpa-cacl2法等，但適用條件等存在爭(zhēng)議。例如，強(qiáng)酸強(qiáng)堿等化學(xué)試劑介導(dǎo)的重金屬萃取難以反映土壤中有效態(tài)重金屬的真實(shí)含量。同時(shí)，這些方法需要連續(xù)多步的萃取分離過(guò)程，步驟繁瑣且耗時(shí)較長(zhǎng)。因此，探索構(gòu)建無(wú)需消解萃取且可真實(shí)反應(yīng)土壤中有效態(tài)重金屬含量的快速檢測(cè)方法具有重要意義。

該團(tuán)隊(duì)以生命體基元dna為有效態(tài)重金屬識(shí)別探針，通過(guò)dna識(shí)別、切割以及信號(hào)轉(zhuǎn)換，構(gòu)建了dna熒光生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤有效態(tài)重金屬(鉛、鎘、銅等)的快速檢測(cè)。該方法操作簡(jiǎn)單、無(wú)需復(fù)雜的連續(xù)萃取過(guò)程，同時(shí)，dna探針混合即可檢測(cè)，響應(yīng)迅速，方便現(xiàn)場(chǎng)快速分析。該熒光生物傳感器對(duì)有效態(tài)鉛的檢測(cè)靈敏度可達(dá)0.2 pm，用于土壤樣品有效態(tài)重金屬檢測(cè)時(shí)，與傳統(tǒng)dtpa-cacl2法相比，誤差小于10%，具有高靈敏度和高特異性，可滿足復(fù)雜樣品中有效態(tài)重金屬檢測(cè)需求。

相關(guān)研究成果分別發(fā)表在analytical chemistry、talanta和science of the total environment上。相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)發(fā)明專利。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和貴州省高水平人才項(xiàng)目等的支持。