基于催化响应DNA杂化水凝胶的光子晶体传感新方法及环境中铀检测研究

Uranium is a kind of chemical toxic and radioactive pollutant. The common uranium detection methods usually require expensive instruments and have some difficulties for on-site detection. Therefore, there are of great significance to develop portable, sensitive and selective detection methods for environmental uranium pollution prevention. Photonic crystal hydrogel sensor is a novel field in visual detection, and improving specificity and sensitivity is the future development trend of photonic crystal sensors. In this proposal, we try to develop two kinds of photonic crystal DNA hybrid hydrogel (PCDHH) sensors for uranyl ion detection via combing the specific catalytic property of DNAzyme and the signal amplification of hybridization chain reaction, including double network inverse opal type and dual signal amplification of target recycling and hybridization chain reaction type. At the same time, we will further study the signal regulation mechanism of PCDHH, investigate factors influencing of PCDHH swelling behavior, compare the responses of two kinds of PCDHH to uranyl ions, prepare high throughput microarray biosensor, and improve the performance of PCDHH. The proposed PCDHH sensor not only demonstrates an effective sensing platform for on-site detection of uranyl ion in the environmental samples, but also will open a new avenue in the further development of detection methods for other pollutants.

铀是一种兼具化学和放射毒性的环境污染物，常规的检测方法存在仪器昂贵、难以现场检测等问题，开发便携、灵敏度高、选择性好的检测新方法对于防治环境铀污染具有重要应用价值。光子晶体水凝胶传感器是可视化检测领域的新兴方向，目前提高选择性和灵敏度是光子晶体传感器未来的发展趋势。本项目围绕铀酰离子的检测，利用脱氧核酶的高特异性催化特征和杂交链式反应的信号放大优势，拟构建“互穿双网络反蛋白石结构型”和“目标循环与杂交链式反应双重信号放大型”光子晶体DNA杂化水凝胶传感器。同时，研究光子晶体的信号调节机制，探讨DNA杂化水凝胶溶胀行为的影响因素，比较两种DNA杂化水凝胶对铀酰离子的响应能力，建立高通量的微阵列型传感器，完善光子晶体DNA杂化水凝胶检测体系，实现铀酰离子的高通量、高灵敏度、高选择性及可视化检测。为环境中铀酰离子的现场检测提供新方法、新技术，并推动光子晶体传感方法在其他污染物检测领域的应用。

环境污染物严重危害人类的生命健康，开发快速便携、灵敏度高、选择性好的检测新方法对于防治环境污染意义重大。光子晶体水凝胶传感器是可视化检测领域的新兴方向，在环境污染物的快速检测领域具有潜在的应用价值。本项目对光子晶体传感器的构建进行深入研究，并利用其他新型生物材料，发展了一系列铀酰离子等环境污染物的检测方法。本项目主要取得以下成果：（1）成功合成了不同粒径的光子晶体微球，掌握了波长可控和高响应性能光子晶体水凝胶的设计和制备原理。（2）通过对水凝胶进行不同的功能化，构建了多种响应性光子晶体水凝胶传感器，为光子晶体水凝胶传感器的发展应用提供新思路。例如：将反蛋白石光子晶体结构引入富含偕胺肟基团的水凝胶中，利用偕胺肟基团对铀酰离子的特异性结合能力，实现铀酰离子的检测和去除。将二维光子晶体的信号自表达能力与聚丙烯酰胺/DNA双网络水凝胶的特异性识别能力相结合，构建了一种多重刺激响应的二维光子晶体双网络DNA水凝胶传感平台，实现对银离子、pH和半胱氨酸的灵敏响应。（3）利用DNAzyme、氧化石墨烯、金纳米颗粒等新型材料，发展了多种传感方法用于铀酰离子、镉离子等环境污染物的灵敏检测。本项目的顺利完成，将为铀酰离子等环境污染物的现场检测提供新方法、新技术，并拓宽光子晶体传感方法的应用范围。通过该项目，发表SCI论文12篇，申请发明专利1项。