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第一作者：Yuxiang Feng, Xiangli Shao

通訊作者：羅云波、許文濤

通訊單位：中國農業大學

研究亮點：

1. 設計了一種Hg²⁺誘導的多功能Hg²⁺納米階梯結構，可同時實現靶標分子的識別、信號轉換和放大。

2. 建立了“turn-on”型熒光傳感器，最終實現Hg²⁺的快速定量檢測。

Hg²⁺是一種全球性重金屬污染物，實現Hg²⁺的快速、靈敏檢測對環境保護和人類健康具有重要意義。同其他金屬離子一樣，Hg²⁺的檢測方法也經歷了由儀器分析到傳感器檢測的過程。傳統的儀器分析法在靈敏度和準確性方面具有明顯的優勢，但昂貴的設備和繁瑣的樣品處理過程使其難以廣泛應用。

傳感器檢測法具有簡單、快速、不需要大型儀器等優勢，可彌補儀器分析法的不足。近年來，基于功能核酸和納米材料的生物傳感器被越來越多的應用Hg²⁺等重金屬離子的快速檢測上。這類傳感器的基本原理是信號轉導，重金屬離子的化學信號作為信號輸入，在核酸、小分子、電化學材料、金屬納米粒子和蛋白酶等的輔助下可以被轉化為其他信號被輸出，例如光學信號和電化學信號等。

但是大多數基于分子生物學的方法仍具有一定的局限性，因為會涉及分子修飾或一些需要依賴蛋白酶的過程。因此，仍需要更簡單、更直接的傳感器方法以實現Hg²⁺的快速檢測。

有鑒于此，中國農業大學羅云波教授與許文濤副教授團隊建立了一種基于Hg²⁺納米階梯和GO的Hg²⁺快速檢測方法。

當期封面截取

首先，研究人員分別用圓二色譜（CD）和原子力顯微鏡（AFM）對Hg²⁺納米階梯及GO的結構進行表征。測試結果表明，與無Hg²⁺的單鏈序列相比，加入Hg²⁺形成的納米階梯顯示出輕微的紅移，且特征峰下降，表明在Hg²⁺可誘導納米階梯的形成。實驗所用的GO的厚度大約為1.6 nm，符合單層石墨烯的特征。

圖1 Hg²⁺納米階梯及GO的表征

然后探究緩沖液對Hg²⁺納米階梯的搭載效率和GO淬滅效率的影響。通過計算熒光淬滅率η=(F₀-F)/F₀，得出在Tris-HCl緩沖液中，體系熒光背景值最低，且GO對單雙鏈的淬滅效率差異最大。在此基礎上，研究人員又對Tris-HCl緩沖液進行了進一步的優化，確定了Tris-HCl緩沖液中各類成分（Tris、NaCl、Mg²⁺）的最佳比例，最終選擇Tris-HCl B1作為最佳緩沖液并用于后續實驗。

圖2 Hg²⁺納米階梯緩沖液優化

研究人員還發現引物濃度，尤其是FAM-P1的濃度需要受到嚴格的調控和優化。同時，為了實現Hg²⁺的快速檢測，反應時間的優化也十分重要。實驗結果表明，隨著孵育時間的延長，熒光淬滅效率迅速增加，約10 min后達到穩定狀態。穩定狀態下，當FAM-P1的濃度為50 nM時，GO對單鏈、普通雙鏈及Hg²⁺納米階梯體系的區分最明顯，信噪比最高。

圖3 Hg²⁺納米階梯孵育時間及引物P1濃度優化

最后，研究人員對搭載的傳感器的性能進行評估。通過繪制標準曲線，實現了基于Hg²⁺納米階梯和GO傳感器的Hg²⁺的定量檢測。數據表明，該傳感器的線性區間為0~8 nM，標準曲線為y = 278.63 + 41.075x（R²=0.9804），最低檢測限為1.5 nM。

圖4 Hg²⁺的定量與特異性分析

總之，該研究通過引入功能核酸材料Hg²⁺納米階梯，結合納米材料氧化石墨（GO），建立了能夠在無酶、恒溫條件下實現Hg²⁺定量檢測的生物傳感器。

參考文獻：

Feng Y, Shao X, Huang K, et al. Mercury nanoladders: a new method for DNA amplification, signal identification and their application in the detection of Hg (ii) ions[J]. Chemical Communications, 2018.

DOI: 10.1039/c8cc03851a

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/cc/c8cc03851a