石墨烯基納米生物感測器用於Hg2＋的快速高靈敏檢測！

第一作者：Yuxiang Feng, Xiangli Shao

通訊作者：羅雲波、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」型熒光感測器，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感測器檢測的過程。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。

感測器檢測法具有簡單、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，基於功能核酸和納米材料的生物感測器被越來越多的應用Hg2+等重金屬離子的快速檢測上。這類感測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。

但是大多數基於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、更直接的感測器方法以實現Hg2+的快速檢測。

有鑒於此，中國農業大學羅雲波教授與許文濤副教授團隊建立了一種基於Hg2+納米階梯和GO的Hg2+快速高靈敏度檢測方法。

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的結構進行表徵。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，且特徵峰下降，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徵。

圖1 Hg2+納米階梯及GO的表徵

然後探究緩衝液對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=(F-F)/F，得出在Tris-HCl緩衝液中，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緩衝液進行了進一步的優化，確定了Tris-HCl緩衝液中各類成分（Tris、NaCl、Mg2+）的最佳比例，最終選擇Tris-HCl B1作為最佳緩衝液並用於後續實驗。

圖2 Hg2+納米階梯緩衝液優化

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後達到穩定狀態。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

最後，研究人員對搭載的感測器的性能進行評估。通過繪製標準曲線，實現了基於Hg2+納米階梯和GO感測器的Hg2+的定量檢測。數據表明，該感測器的線性區間為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、恆溫條件下實現Hg2+定量檢測的生物感測器。

參考文獻：

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

DOI: 10.1039/c8cc03851a

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

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！