DNA水凝胶传感器阵列用于痕量多重金属离子的同时分析研究

Detection of heavy metal ions in field remains challenging due to the complexity and variability of the samples in the environment. Sensor arrays that use cross-responsive sensing elements to imitate mammalian olfactory systems are good candidate because of their multiple target discrimination ability through patterned recognition. While such an approach has found success in disease monitoring, it is yet to be applied for heavy metal ions detection. This project aims to develop novel sensor arrays based on functional DNA hydrogel to realize the highly sensitive and reproducible detection of multiple heavy metal ions simultaneously. Specifically, the dynamics for the heavy metal ions accumulation process by the DNA hydrogel as well as the mechanism will be explored to help to elucidate the advantages of using DNA hydrogel material. Through investigation of different types of sensor arrays, a general method for sensitivity and stability enhancement is expected to be established based on the DNA hydrogel matrix immobilization. This work will probably pave the way for the rational design of environmentally friendly sensor array with high sensitivity and outstanding stability for heavy metal contamination analysis

中文摘要：环境中重金属离子的及时现场检测面临的难题为实际水样的复杂性及组分多样性。传感器阵列技术极有希望通过多组分同时检测的特点解决这一难题。然而这方面研究尙处于初期探索阶段。针对传感器阵列检测灵敏度不足、稳定性差的关键科学问题，本项目拟发展基于功能DNA凝胶的新型传感器阵列，通过结合DNA凝胶的富集效应以实现多种重金属离子的同时高灵敏及稳定检测；研究重金属富集动态学及机理，揭示DNA凝胶材料提升检测灵敏度的原理；结合不同类型的传感器阵列，探索这种全新策略对不同性质传感器阵列的适用性。本项目的研究成果将为开发环境友好、高灵敏、稳定且易使用的传感器阵列提供可靠的实验依据及理论基础，进一步推动传感器阵列技术在重金属污染防治中的应用进展。

环境中重金属离子的及时现场检测面临的难题为实际水样的复杂性及组分多样性。传感器阵列技术极有希望通过多组分同时检测的特点解决这一难题。然而这方面研究尚处于初期探索阶段。本项目开发了在室温下混合静置即可构建DNA/稀土/敏化分子荧光配合物以及酶/Cu3(PO4)2传感基元库的简便方法。并发现金属离子可通过干扰电子转移或影响活性的方式而影响传感基元库的信号。通过筛选传感器基元库对金属离子的一系列差异性响应，发展了适用于重金属离子污染水样稳定检测的两类低成本传感器阵列。检测灵敏度可达到1μM，优于已报道的大部分传感器阵列，同时兼具经济快速及易于使用的优点。此外，结合项目执行过程中的探索及研究兴趣，项目组还延伸了一系列具有富集效应的DNA凝胶以及具备独特功能的纳米材料的开发以及其在环境领域应用的工作。本项目研究成果可为重金属污染检测提供可用的便捷传感器阵列平台，同时为开发具有自主知识产权的新型环境污染防治材料奠定了理论和实验基础。