基于功能性核酸和纳米材料复合新体系的电化学金属离子生物传感器

This project constructs a novel method of electrochemical analysis for high sensitive, selective, accurate, real-time and on-site detection of metal ions related to environment and human health and research their electrochemical device that possess the potential application. This work takes advantage of DNA aptamer and DNAzymes as the target recognition to recognize the particular metal ion specifically and nanomaterials as the signal transduction technology to generate and amplify the signals. The item combines the DNA-biobarcode with nucleic acids amplification element to the electrochemical detection. The nanomaterials with uniform size and excellent performance will be prepared to characterize the topography to provide the thinking for the signal generation and amplification. The modification of nanomaterials and the immobilization of nucleic acids on the surface of electrodes and the nanomaterials were studied. The interaction between functional nucleic acids and specific metal ions will be researched to reveal the relationship between the structure and conformation switching functional nucleic acids. The analytical characteristics that will offer a good analytical method to detect the metal ions sensitively and quickly. The method supplys a new technical way for the rapid detection of metal ions in environmental samples at scene of pollution, afford some basic references at regular interval. These have important significance for the environmental and vital analysis.

本项目以与环境和与人类健康相关的金属离子为分析对象，以能特异性识别特定金属离子的DNA适配体或DNA脱氧核酶为分子识别物质，采用纳米材料为信号转换技术来产生或放大信号，结合生物条形码、核酸信号放大技术，以电化学检测为手段，建立高灵敏度、高选择性、准确、实时在线检测金属离子的电化学分析新方法和研制具有潜在实用价值的金属离子电化学传感器件。制备大小均一、性能良好的纳米材料，对其进行形貌分析及表征，为纳米材料对信号产生和放大的原理提供思路；研究纳米粒子的修饰和功能性核酸在其表面和电极表面的固定化方法；研究功能性核酸与特定金属离子之间的相互作用，揭示功能性核酸的结构和构象变化与分析特性的关系，为灵敏、快速的检测金属离子提供良好的分析方法，对为实现环境样品中金属离子在污染现场的快速检测提供新的技术手段，为体液中金属离子定期检查提供一些基础性参考资料，对环境分析化学和生命分析化学均具有重要的意义。

金属离子在生命科学、环境科学、医学等领域发挥着重要的作用，金属离子的种类、浓度及价态等性质直接决定了它们的功能及对环境和生物体的作用，因此对金属离子进行特异性和高灵敏度的检测在许多领域，如环境监测、废水处理、生物学发展和临床毒理学等具有非常重要的意义。随着纳米技术和生物技术的发展，将纳米材料和生物分子运用到分析领域，成为监测分析的热点。本项目主要开展了以下几个方面的研究：一是选择合适的方法合成出性能良好的纳米材料，探索合成条件对纳米材料的化学组成、大小、形貌的影响，并采用扫描电镜、透射电镜、紫外、红外等对其形貌特征进行表征，筛选出符合要求的纳米材料。二是将所合成纳米材料通过不同的方法进行复合并修饰到电极表面来构建不同的传感界面，采用电化学检测手段，如循环伏安、交流阻抗、计时电流法等对其电化学行为进行了研究，通过测定植物多酚、葡萄糖、过氧化氢等发现所制备的纳米材料可以显著增大电极的表面，加速电极表面电子的转移效率；三是将功能性核酸与纳米材料相结合，构建了基于 T-Hg2+-T在石墨烯表面杂交检测Hg2+和基于DNAzyme 构象转变的Pb2+电化学生物传感器。实验结果表明，这两种电化学金属离子生物传感器制备简单，性能良好，选择性高，有望用于实际环境中金属离子的检测。