基于核酸适配体和元素标记的高灵敏度定量分析方法研究

Being closely linked with human life and health, the aggravating environmental pollution and frequently happened food safety issues have become huge global concerns. Developing highly selective and sensitive quantification techniques that are generally applicable for various analytes related to environment and food safety has been the research priorities and challenge of analytical chemistry. Aptamer is a highly specific recognizing group for various target molecules, which has attracted much attention from scientists in many disciplines; while an elemental labeling strategy in combination with isotope dilution mass spectrometry provides accurate and precise quantification. In this proposal, we propose to utilize the advantages of these two methods to develop a general approach for highly sensitive, accurate and quantitative detection of various analytes. Further, we will integrate various newly proposed aptasensors on one substrate to develop simultaneously detection method for multiple analytes, which will promote environmental surveillance and food quality control to mitigate environment risks and prevent health hazards.

日益严重的环境污染和频繁发生的食品安全事件因其与人类生命与健康密切相关而成为全球关注的热点问题。建立针对这些领域中重要分析物的高选择性、高灵敏度的定量分析方法已成为分析化学领域研究的重点和挑战。核酸适配体作为一种能够高特异性识别各种目标分析物的生物分子，近年来受到了多个学科领域的广泛关注。本研究拟通过金属络合物对核酸进行标记，利用核酸碱基之间的氢键配对将元素标记法与核酸适配体相结合开发新型生物传感器，并基于电感耦合等离子体质谱高灵敏度的优点以及强大的同位素测量能力，利用同位素稀释质谱法实现对目标分析物的准确定量分析。进而，以这一通法为基础开发多种分析物同时检测方法，实现对样品中多组分待测物的高选择性、高灵敏度、准确定量分析，从而帮助环境监测和食品质量控制以减少环境隐患和健康风险。

本项目将核酸适配体对分析物具有的高亲和力和高特异性等优点与高灵敏度的元素标记法相结合，并利用同位素稀释质谱法对待测物的准确定量分析，建立了具有高选择性、高灵敏度的新型生物传感体系，实现了凝血酶、谷胱甘肽等生物分子，以及环境中汞离子、银离子和钼元素的定量测定。具体研究结果如下：.通过络合基团使金属元素与有机官能团形成络合物，主要以二乙三胺五乙酸和1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸等作为络合基团，与Sm、Eu等元素进行络合反应。通过化学共价键合连接络合物与核酸序列实现元素对核酸的标记。合成“元素-核酸”标记物。. 研究建立了单颗粒-电感耦合等离子体质谱测定金纳米颗粒粒径的方法。在10 ～ 100 nm范围内，该方法测定金纳米颗粒粒径具有良好的线性结果（R2=0.995）。在金纳米颗粒表面修饰单链DNA和凝血酶分子的核酸适配体，通过加入凝血酶分子，调控金纳米颗粒的分散和聚集，利用测得的颗粒粒径变化，测定凝血酶分子的浓度。该方法能够实现对溶液中nM浓度凝血酶的选择性定量分析。. 本项目通过元素标记核酸适配体开发新型生物传感体系，并利用同位素稀释质谱法实现对目标分析物的准确定量分析。以钼单元素标准物质（GBW(E) 080218）作为基准溶液，浓缩97Mo作为稀释剂，分别测定了北京市朝阳区和昌平区自来水中钼元素含量，结果为：1.016 ± 0.010 μg﹒kg-1和1.033 ± 0.007 μg﹒kg-1。. 依据一氧化铜纳米颗粒具有的模拟酶性质以及碳量子点诱导金纳米颗粒聚集的特性，分别开发了高灵敏度的同时分析谷胱甘肽和银离子的生物传感系统，以及测定自来水中汞离子含量的方法。上述方法测定谷胱甘肽、银离子和汞离子的检测限分别能够达到32 nM、37 pM和7.5 nM。