基于纳米生物分子探针的高灵敏重金属原位检测及环境因子响应机制研究

Taking use of the excellent performance of low-dimensional nanomaterials and functional nucleic acid molecules and combined with new optical components and microfluidic systems, the high selective and sensitive in-situ detection techology of heavy metal pollutants will be developed based on the principle of the QD-FRET technology and reasonable structure design of high-performance functional DNA molecule. On the basis of the development of high efficient controllable coupling techology of biomolecule and quantum dots, the mechanism of interfacial reaction of heavy metal pollutants, such as mercury and lead, and functional DNA molecules will be researched, and the key factors and common law of heavy metal pollutants detection will be revealed. Taking water-sediment ecosystem for example, combined with the microelectrode technique and the biomolecular assay methods (e.g. FISH, T-RFLP), the effects of environmental conditions on the morphological changes and migration and transformation of heavy metal pollutants in different media, and the interaction mechanism of microorganism and heavy metal pollutants will be deeply studied. These will provide the technical support and theoretical basis for precisely obtaining the true concentration and bio-acquired of heavy metals pollutants in various media, and thus a comprehensive evalution and effectivce prediction of biological toxicity and environmental effects of heavy metal pollutants, as well as the geochemical processes, risk assessment and control, disposal and restoration of heavy metal pollutants.

本课题利用低维纳米材料和功能核酸分子的优异性能，基于QD-FRET技术原理，设计合理结构的高性能功能DNA材料，结合新型光学元件和微流控系统，发展新型传感分析原理，研发重金属污染物的高选择性、高灵敏度实时原位传感分析技术。在研究生物分子与量子点纳米材料的高效可控偶联技术基础上，揭示汞、铅等重金属与功能DNA分子界面反应机理，阐明基于纳米生物分子探针的汞、铅等重金属污染物检测技术的关键因子和共性规律。同时，以水-沉积物体系为研究对象，结合微电极技术和FISH与T-RFLP等分子生物学分析技术，揭示环境因子对不同介质中重金属形态变化和迁移转化的影响规律，及重金属与功能微生物的交互作用机制，以便精准解析各种介质中重金属的真实浓度和可生物获得性，从而为全面评价和有效预测重金属的生物毒性及其环境效应，以及重金属地球化学过程研究、风险评价与控制、处理处置与修复等提供技术支持和理论依据。

利用倏逝波荧光分析与光纤传感原理，研制了一套能快速检测水中重金属污染物的倏逝波光纤纳米生物传感分析平台。在此基础上，基于DNA结构竞争原理，建立了相应的基于量子点标记的超灵敏重金属汞、铅等重金属离子传感分析技术和方法。.主要研究结果：（1）通过设计优化光学系统、流动进样系统及信号处理与控制系统，成功研制了一套倏逝波全光纤生物传感分析平台及其分析与控制软件系统。（2）采取了水浴-水热结合法合成技术，成功合成了高质量的羧基化CdTe/CdS、CdSe/ZnS水溶性核壳式量子点，并采用TEM、荧光光谱仪等多种技术手段对量子点进行了表征。研究表明，CdSe/ZnS核壳式量子点比CdTe/CdS核壳量子点量子效率更高、毒性更小。（3）利用共价交联作用，将羧基化CdSe/ZnS通过层层组装技术偶联到锥形光纤探针上，制备了高特异性、高灵敏汞离子传感探针。利用构建的微纳光纤传感平台，在5~1000nM痕量浓度范围内实现了汞离子的定量检测。由于微纳光纤传感分析平台能够实现实时荧光探测的特性，揭示了汞离子与量子点的相互作用机制，建立了基于非均相反应的扩散-反应模型，构建了汞离子的定量检测关系模型。通过阐明铜、银离子等干扰离子对量子点作用机制，提出了消除铜、银离子干扰的策略，实现了汞离子的原位/现场快速检测。（4）基于铅离子能够引发G-四联体构象变化，形成G4/Pb2+配合物的原理，开发了一种可用于实际水样中Pb2+检测的DNA结构竞争性光学微流控传感系统。该系统具有高灵敏度、高选择性，可重复使用性以及操作简便，检测迅速，体积便携，样品用量少，成本低廉等诸多优点。在该系统中，Pb2+探针为荧光标记的G4核酸适体，而与其互补的DNA链则被固定在光纤探针表面。当Pb2+及G4核酸适体混合液被引入到光学微流控通道时，Pb2+与光纤表面的DNA链会对G4核酸适体偶联进行竞争。因此，Pb2+的浓度越高，偶联到光纤上的G4核酸适体的数量越少，检测到的荧光信号越低。在最佳检测条件下，Pb2+的线性响应区间为1.0~300.0nM，检测下限为0.22nM。研究成果为重金属地球化学过程研究、风险评价与控制、处理处置与修复等提供技术支持和理论依据。