自组装的单纳米孔与单纳米粒子器件对重金属离子的快速检测

一种新的传感器技术，建立在仿生单纳米孔与单纳米粒子自组装的器件之上，用来探测包括放射性在内的多种重金属污染离子。单纳米孔上修饰有核酸酶，与纳米粒子上修饰的核酸底物相互作用生成双链结构，从而引起单纳米孔与单纳米粒子组装且通过单纳米孔的离子电流被纳米粒子封锁。当重金属离子存在时，连在金纳米粒子上的那段核酸底物，在核酸酶的作用下被剪切而断裂，引起单纳米孔与单纳米粒子的解装，通过单纳米孔的离子电流还原，解装所需要的时间用来定量探测重金属离子，离子浓度越低，所需时间越长。本设计方案除保证器件的重复使用，且克服了两个领域中的局限性：基于单纳米孔的已有方法还不能选择性地探测体积小的离子或小分子，本项目可以突破这一瓶颈；以往的自组装方法需要足量的核酸分子修饰过的纳米粒子，本项目中对低浓度离子的灵敏探测只需要单纳米孔和单纳米粒子。

本研究大体上按计划进行，考虑到该青年基金是本人在中科院苏州纳米所任副研究员时提出的申请，来到长春应用化学所后，各方面的条件和环境发生了很大的变化，因此对工作开展都进行了必要的调整。调整一：原计划安排第一年完成纳米孔平台的建设， 主要在氮化硅纳米薄膜上用聚焦粒子束轰击制备纳米孔。考虑到制作纳米孔费用高，且实验周期长。我们利用重金属离子轰击聚合物薄膜（polyethylene terepthlate）形成轨迹，然后化学刻蚀纳米孔。本项目最主要目的是利用核酸与纳米材料的组装对离子及重金属离子进行探测。我们分别对核酸智能结构和纳米孔材料进行了新的设计和研究。(1) 在智能核酸方面，我们利用核酸四链体的特殊结构，构建了对应于不同探测对象的传感体系:（a）为了高选择性探测钾离子尤其是血液中的钾离子，我们首先筛选了能和平面小分子Zn-DIGP的的四链体C-Myc。在钾离子的存在下，直型的核酸短链C-myc会自发折叠成三个平面叠加的四链体结构，四链体的上下两个平面结构可以和Zn-DIGP相结合，极大地增强Zn-DIGP的荧光，通过读取小分子荧光强度的变化，可以定量探测钾离子的浓度。本工作的最大亮点是在很高浓度的钠离子存在下，也可以高灵敏地探测低浓度的钾离子。（b）我们设计了一个针对铜离子的核酸传感器，我们首先也是挑选了可以和小分子NMM结合的核酸四链体，核酸四链体和NMM的结合增强NMM的荧光。由于小分子NMM含有两个相近的羧基，对铜离子有相当强的亲和力。结合了铜离子的小分子荧光被淬灭，核酸四链体的存在大大的提高了小分子的灵敏度。于此同时，我们在青年基金的支持下，把特殊核酸结构扩展到探测与环境相关的真菌毒素，探测病毒基因片段序列和探测具有重要生理意义的小分子。(2) 纳米孔的制作上，我们采用了重金属离子轰击过的聚合物薄膜，可控制作纳米孔。（a）我们发现，聚酯薄膜中纳米孔内表面的羧基在pH值小于3的缓冲溶液中，可以呈现不同的电荷性质，其他科研小组之前都认为薄膜内表面一般自带负电荷和中性两种情况，我们研究工作证明薄膜内表面是可以为正电荷的。我们通过电压电流曲线证明了这点。（b）我们扩展了基于纳米孔的应用价值，对于不同疏水小分子，由于其和薄膜表面的结合力不同，会导致纳米孔不同的电流电压曲线的响应。根据此现象，构建了区分不同小分子的化学传感器。