CN102507877A - 一种基于脱氧核酶水凝胶的铜离子检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于脱氧核酶水凝胶的铜离子检测传感器，其特征在于包括脱氧核酶水凝胶，所述脱氧核酶水凝胶是由甲基丙烯基团修饰的底物链和甲基丙烯基团修饰的脱氧核酶通过碱基互补配对交联形成的三维网状的水凝胶，并且在水凝胶上包裹有金纳米颗粒。本发明同时公开基于脱氧核酶水凝胶的铜离子检测传感器中脱氧核酶水凝胶的制备方法，以及传感器定性及半定量检测水样中铜离子含量的方法。本发明可实现铜离子的快速检测，在不需要昂贵复杂仪器设备的同时还具有很高的选择性、测定速度快等优点，非常适用于现场检测和试验室对批量样品粗筛。

Description

一种基于脱氧核酶水凝胶的铜离子检测传感器

技术领域

本发明涉及铜离子检测领域，具体涉及脱氧核酶水凝胶在铜离子检测传感器中的用途。

背景技术

铜是人类最早使用的金属，铜离子广泛存在于自然界，铜离子也是人类必需的微量元素，但是铜超标对人体的危害也很大，主要是由重金属离子铜带来的危害。当人体内残存了大量的重金属之后，急易对身体内的脏器造成负担，特别是肝和胆，当这两种器官出现问题后，维持人体内的新陈代谢就会出现紊乱，肝硬化，肝腹水甚至更为严重。美国环境保护局对饮用水中铜离子的检测浓度要求是不高于20μM。传统对于铜离子的检测采用的是原子吸收或ICP-MS等复杂、昂贵的仪器。

采用脱氧核酶（DNAzyme）水凝胶体系对高灵敏检测水中铜离子的含量的应用存在巨大的潜力。本发明提供脱氧核酶水凝胶在铜离子检测中的用途。本发明可实现铜离子的快速检测，在不需要昂贵复杂仪器设备的同时还具有很高的选择性、测定速度快等优点。

发明内容

本发明提供一种基于脱氧核酶水凝胶的铜离子检测传感器，脱氧核酶（DNAzyme）水凝胶使得铜离子检测传感器具有很高的选择性和测定速度快等优点。

为了实现上述目的，本发明的解决方案如下：

一种基于脱氧核酶水凝胶的铜离子检测传感器，包括脱氧核酶水凝胶，脱氧核酶水凝胶是由甲基丙烯基团修饰的底物链和甲基丙烯基团修饰的脱氧核酶通过碱基互补配对交联形成的三维网状的水凝胶，并且在水凝胶上包裹有金纳米颗粒。

为了更好地理解本发明的实质，下面结合具体实例描述脱氧核酶水凝胶在铜离子检测中的应用。

脱氧核酶水凝胶的制备过程如下：

1）合成丙烯酸亚磷酰胺单体：

丙烯酸亚磷酰胺单体的合成分为三个步骤：a）将1g 6-氨基-1-己醇，2.36mL三乙胺加入100mL二氯甲烷中冰浴，在无水无氧条件下逐滴加入2.67g甲基丙烯酰氯，在室温条件下搅拌反应2小时；b）将溶剂旋干，向产物中加入10mL乙醇和15%NaOH,将产物选择性水解成6-异氰酸根合己基-甲基丙烯酰氯，再用硅胶柱分离纯化；c）将0.50g纯化后的6-异氰酸根合己基-甲基丙烯酰氯溶于10mL无水二氯甲烷中，在0°C条件下逐滴加入0.98g N,N-二异丙基乙胺，再逐滴加入0.87ml 2-氰乙基N,N-二异丙基氯代亚磷酰胺，在冰浴上反应2小时；将溶剂旋干后，将产物用乙酸乙酯:环己烷:三乙胺 40:60:3的洗脱液在硅胶柱上洗脱，得到的终产物为无色油状液体；

2）甲基丙烯基团修饰的底物链和脱氧核酶的合成与纯化：

5′端标记的底物链和脱氧核酶用CPG作为固相载体，使用DNA单体在DNA合成仪上从3′端开始合成，最后在5′端修饰步骤1）中合成的丙烯酸亚磷酰胺单体；合成结束后，将上述CPG转移至2ml Eppendorf管中，加入0.5 mL 25 %的氨水在65℃下氨解8 hr，使DNA从CPG上切割下来；氨解完毕取上清液进行酒精沉淀，加入0.1倍体积的3M NaCl和3倍体积的乙醇在-20°C冰箱中静置20min，将得到的沉淀去除上层清液，再将沉淀溶于0.1M的醋酸三乙胺溶液中，用0.22μm的滤膜过滤，再用高效液相色谱仪进行纯化；

3）底物链和脱氧核酶分别与丙烯酰胺单体聚合形成线性高分子链：

将经过步骤2）经甲基丙烯基团修饰的底物链和经甲基丙烯基团修饰的脱氧核酶分别溶解到含4%丙烯酰胺单体的50mM HEPES缓冲溶液中，抽真空10min，再向体系中加入终体积1.4%的10%过硫酸铵和终体积1.4%的5%四甲基乙二胺中，再次抽真空10min；底物链和脱氧核酶分别与丙烯酰胺单体聚合形成线性高分子链；

4)金纳米的修饰：

取1.5mL合成好的金纳米颗粒于1.5mL离心管中，再向管中加入质量体积比为1.5%的牛血清蛋白；金纳米和牛血清蛋白孵育2-3小时之后，离心并去除上清液，将下层重新溶于水中就得到保护的金纳米粒子；

5)脱氧核酶水凝胶的制备：

将10μL两条聚合好的DNA聚丙烯酰胺加入1/10体积的牛血清蛋白封闭的金纳米颗粒，振荡混匀后，再将两条聚合链混合，将混合后的溶液置于60°C干浴器中10min后自然冷却至室温，得到包裹金纳米颗粒的脱氧核酶水凝胶。

脱氧核酶/底物链序列选择性的验证：为了验证该体系中铜离子对脱氧核酶/底物链的切割是由于脱氧核酶/底物链序列特异性识别所导致，而不是铜离子对序列的随机切割形成的，合成一条于底物链完全互补的甲基丙烯基团修饰的cDNA作为参照。由于DNA双链之间的碱基互补配对，底物链和底物链的cDNA也可以形成稳定的DNA水凝胶。通过实验得出，底物链和底物链 cDNA形成的水凝胶和脱氧核酶水凝胶在加入铜离子之前与上层的反应溶液都能形成明显的胶-溶液界面，但是在两个体系中都加入铜离子之后，底物链/cDNA水凝胶的体系对目标物没有响应，仍然保持着胶的状态，可是对于脱氧核酶水凝胶，在铜离子加入之后，整个胶就瓦解，整个体系变成溶液状态，并且随着金纳米的扩散，原来体系中下层是酒红色的水凝胶逐渐扩散开来，酒红色的溶液扩散到这个体系中来。这种明显的变化用肉眼就可以清楚地分辨出来，不需要任何复杂，昂贵的仪器。

脱氧核酶水凝胶的动力学研究：金纳米颗粒在波长520nm处有较强的吸收，用紫外/可见分光光度计在不同时段检测波长520nm处的吸收可以对整个体系的反应动力学进行研究。实验中可以得到，当铜离子在100μM水平时，整个胶在大约1.5小时就完全瓦解，说明该系体系不仅方便可视化检测，并且对目标物具有较快的响应。需要指出，铜离子浓度对整个体系的反应速度也有影响。当铜离子浓度提高至10mM,整个反应在15min就可完全反应。如果反应过夜，即使在5μM的水平，水凝胶也能有所响应。

脱氧核酶水凝胶的可视化检测限：虽然不同浓度的铜离子对这个体系瓦解的响应时间不同，但是在某一相同的时间，不同浓度的铜离子对胶的瓦解程度是不同的。通过实验可以得到，在1.5小时内，100μM的铜离子可以将10μL的脱氧核酶完全瓦解，而随着对铜离子浓度的降低，水凝胶瓦解的比例呈梯度逐渐减少，当检测浓度处于10μM时，大约只有10%水凝胶瓦解。这使得水凝胶体系可以定量或者半定量的检测溶液中铜离子的浓度。美国环境保护局对饮用水中铜离子的检测浓度要求是不高于20μM，因此该水凝胶体系对高灵敏检测水中铜离子的含量的应用存在巨大的潜力。

本发明脱氧核酶水凝胶在铜离子检测中的应用，可作为可视化铜离子检测传感器中的应用，具体为：

一种可用于检测铜离子的脱氧核酶水凝胶检测传感器，该传感器由1.5mL 离心管装载制备好的脱氧核酶水凝胶缓冲体系（表示为A1，下同）组成。

它用于测定水样中铜离子残留的测定方法为：

1）将100μL 待测水样用移液器加入脱氧核酶水凝胶缓冲体系上部的缓冲液层，置于37℃干浴器中，用吸管轻轻吸打缓冲液层，使缓冲液与加入的待测水样均匀混合；

2）将加入了待测水样的脱氧核酶水凝胶缓冲体系于37℃干浴器中放置1.5小时，并用肉眼观察体系中下层酒红色的水凝胶是否逐渐扩散开来；

3）目测结果，阴性样品在脱氧核酶水凝胶可视化检测传感器中，上下次酒红色水凝胶不扩散，阳性样品下层酒红色水凝胶均匀扩散至上层缓冲液体系；

4）铜离子检测传感器中加入100μL 已知道浓度的铜离子水溶液，铜离子浓度小于1000μM，重复步骤1）和步骤2）；

5）步骤2）和步骤4）中的脱氧核酶水凝胶检测传感器下层酒红色水凝胶的扩散瓦解程度，扩散瓦解程度大的样品铜离子的含量高。

本发明中的铜离子检测方法可通过目测结果，简单直观，因此可用于研制铜离子可视化检测传感器。

脱氧核酶-水凝胶应用于铜离子检测的工作原理为：首先将铜离子的脱氧核酶裁剪成两段，一条底物链，另一条是酶链，将裁剪的两段单链DNA修饰上丙烯酰胺单体。再将修饰好的底物链和脱氧核酶分别和丙烯酰胺单体聚合，使这两段DNA嵌入到丙酰胺聚合链中。接下来把这两段高聚物混合，在碱基互补配对的作用下，两段DNA杂交，将两段高聚物交联在一起，使整个体系形成具有三维网状的水凝胶结构，这个体系也由溶液态变为凝胶状。底物链和脱氧核酶形成的杂交结构同时具有刚性结构，这种刚性结构也为包埋物质提供了空间。当向凝胶体系中加入铜离子，铜离子便会识别由底物链和脱氧核酶形成的杂交结构；底物链在铜离子作用下被切割，脱氧核酶/底物链之间的杂交也被破坏，水凝胶的三维结构也随之消失，整个体系又从凝胶状变为溶液态。这种状态的改变是可以通过指示剂的加入直接通过肉眼就可以观察。

本发明的优点在于：本发明可对水样中铜离子含量留进行定性及半定量检测，本发明应用于铜离子检测的传感器具有操作简便、快速、经济等优点，非常适用于现场检测和试验室对批量样品粗筛。

具体实施方式

 实施例1：基于脱氧核酶-水凝胶的铜离子传感器的制备方法

1、丙烯酸亚磷酰胺单体的合成

丙烯酸亚磷酰胺单体的合成分为三个步骤：1）将6-氨基-1-己醇（1g，8,53mmol），三乙胺（2.36mL，17mmol）加入100mL二氯甲烷中冰浴，在无水无氧条件下逐滴加入甲基丙烯酰氯（2.67g，2.55mmol），之后整个体系在室温条件下搅拌反应2小时。2）之后将溶剂旋干，向产物中加入10mL乙醇和15%NaOH（4mL）将产物选择性水解成6-异氰酸根合己基-甲基丙烯酰氯。将6-异氰酸根合己基-甲基丙烯酰氯用乙酸乙酯在硅胶柱分离之后进行下一步反应。3）将纯化后的6-异氰酸根合己基-甲基丙烯酰氯（0.50g，2.70mmol）溶于10mL无水二氯甲烷中，在0°C条件下逐滴加入N,N-二异丙基乙胺（DIPEA，0.98g，7.5mmol），再逐滴加入2-氰乙基N,N-二异丙基氯代亚磷酰胺（0.87ml，3.25mmol），在冰浴上反应2小时。将溶剂旋干后，将产物用乙酸乙酯:环己烷:三乙胺 40:60:3的洗脱液在硅胶柱上洗脱。得到的终产物为无色油状液体。终产物的核磁表征数据如下：1H NMR (CDCl3): δ5.92 (br, 1H), 5.63 (m, 1H), 5.27 (m. 1H), 3.86-3.72 (m, 2H), 3.66-3.49 (m, 4H), 3.30-3.23 (m, 2H), 2.61 (t, 2H), 1.92 (m, 3H), 1.58-1.50 (m, 4H) 1.37-1.32 (m, 4H) 1.17-1.13 (m, 12H). 13C NMR (CDCl3): δ168.6, 140.4, 119.3, 118.0, 63.8, 63.6, 58.6, 58.3, 43.2, 43.1, 39.8, 31.3, 29.7, 26.8, 25.8, 24.9, 24.8, 24.7, 19.0. 31P (CDCl3): δ148.

2、甲基丙烯基团修饰的底物链和脱氧核酶的合成与纯化

5′端标记的底物链和脱氧核酶用普通CPG作为固相载体，使用DNA单体在DNA合成仪上从3′端开始合成，最后在5′端修饰上前节中合成的丙烯酸亚磷酰胺单体。具体合成的序列见表3.3。合成结束后，将上述CPG转移至2ml洁净灭菌的Eppendorf管中，加入0.5 mL 25 %的氨水在65℃下氨解8 hr，使DNA从CPG上切割下来。氨解完毕取上清液进行酒精沉淀，加入0.1倍体积的3M NaCl和3倍体积的乙醇在-20°C冰箱中静置20min，将得到的沉淀产物在14000rpm条件下去除上清，再将沉淀溶于0.1M的醋酸三乙胺溶液中，用0.22μm滤膜过滤。用高效液相色谱仪进行纯化；

3、底物链和脱氧核酶与丙烯酰胺的聚合

将修饰好的底物链和脱氧核酶（DNAzyme）分别溶解到含4%丙烯酰胺单体的50mM HEPES（3M NaCl，pH7.0）缓冲溶液中，DNA的终浓度为1mM。抽真空10min，再向体系中加入终体积1.4%的10%过硫酸铵（0.05g溶于0.5mL）和终体积1.4%的5%四甲基乙二胺（25μL溶于0.5mL）中，再次抽真空10min。此时底物链和脱氧核酶分别与丙烯酰胺单体聚合形成线性高分子链；

4、金纳米的修饰

金纳米的修饰：高盐体系和丙烯酰胺单体中的自由基能让金纳米团聚，因此需要对金纳米进行封闭保护。保护方法如下：取1.5mL合成好的金纳米颗粒于1.5mL离心管中，再向管中加如质量体积比为1.5%的牛血清蛋白（BSA）。金纳米和BSA孵育2-3小时之后，14000rpm离心，去除上清液，将下层物质重新溶于水中就得到保护的金纳米粒子；

5、脱氧核酶水凝胶的制备

将两条聚合好的DNA聚丙烯酰胺（10μL）分别加入1/10体积的BSA封闭的金纳米颗粒（1μL），振荡混匀后，再将两条聚合链混合，将混合后的溶液置于60°C干浴器中10min后自然冷却至室温，就得到包裹金纳米颗粒的脱氧核酶水凝胶。

 实施例2：应用脱氧核酶水凝胶生物传感器检测水样中含有铜离子

100μL 待测水样用移液器加入脱氧核酶水凝胶生物传感器上部的缓冲液层，置于37℃干浴器中，用吸管轻轻吸打缓冲液层，使缓冲液与加入的待测水样均匀混合。于37℃干浴器中放置1.5小时，并用肉眼观察体系中下层酒红色的水凝胶是否逐渐扩散开来。若下层酒红色水凝胶均匀扩散至上层缓冲液体系，则该水样中含有铜离子。若脱氧核酶水凝胶可视化检测传感器中上下次酒红色水凝胶不扩散，则该水样中没含有铜离子。

 实施例3：应用脱氧核酶水凝胶生物传感器半定量检测水样中含有铜离子的浓度

同时将100μL 待测水样和100μL标准铜离子水溶液（浓度要求小于1000μM）于分别用移液器加入两个脱氧核酶水凝胶生物传感器上部的缓冲液层，置于37℃干浴器中，用吸管轻轻吸打缓冲液层，使缓冲液与加入的待测水样均匀混合。于37℃干浴器中放置1.5小时，并用肉眼观察体系中下层酒红色的水凝胶扩散程度，若加入待测水样的传感器中的水凝胶扩散瓦解程度大，则该水样中的铜离子的含量高于标准铜离子水溶液的含量，否则其铜离子含量则低于标准铜离子水溶液的含量。

 实施例4：应用脱氧核酶水凝胶生物传感器检测其他金属离子的响应

为了考察其他金属离子对脱氧核酶水凝胶是否有响应，本实验选择Cu²⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Fe³⁺, Hg²⁺, Pb²⁺, Cd²⁺作为考察对象,并且这些离子浓度10倍于铜离子。实验中可得出，在所有考察的金属中，只有铜离子能将脱氧核酶水凝胶瓦解，而其他的金属离子对铜离子的脱氧核酶体系没有响应。这充分证明该体系能够不受其他体系的干扰，显示了其能在复杂体系中应用的潜力。

可以理解，很多细节的变化是可能的，但这并不因此违背本发明的范围和精神，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化，皆应视为不脱离本发明专利的范畴。

Claims (3)

1.一种基于脱氧核酶水凝胶的铜离子检测传感器，其特征在于包括脱氧核酶水凝胶，所述脱氧核酶水凝胶是由甲基丙烯基团修饰的底物链和甲基丙烯基团修饰的脱氧核酶通过碱基互补配对交联形成的三维网状的水凝胶，且在水凝胶上包裹有金纳米颗粒。

2.根据权利要求1所述的一种基于脱氧核酶水凝胶的铜离子检测传感器，其特征在于：所述脱氧核酶水凝胶的制备方法包括如下步骤：

1）合成丙烯酸亚磷酰胺单体：

丙烯酸亚磷酰胺单体的合成分为三个步骤：a）将1g 6-氨基-1-己醇，2.36mL三乙胺加入100mL二氯甲烷中冰浴，在无水无氧条件下逐滴加入2.67g甲基丙烯酰氯，在室温条件下搅拌反应2小时；b）将溶剂旋干，向产物中加入10mL乙醇和15%NaOH,将产物选择性水解成6-异氰酸根合己基-甲基丙烯酰氯，再用硅胶柱分离纯化；c）将0.50g纯化后的6-异氰酸根合己基-甲基丙烯酰氯溶于10mL无水二氯甲烷中，在0°C条件下逐滴加入0.98g N,N-二异丙基乙胺，再逐滴加入0.87ml 2-氰乙基N,N-二异丙基氯代亚磷酰胺，在冰浴上反应2小时；将溶剂旋干后，将产物用乙酸乙酯:环己烷:三乙胺 40:60:3的洗脱液在硅胶柱上洗脱，得到的终产物为无色油状液体；

2）甲基丙烯基团修饰的底物链和脱氧核酶的合成与纯化：

5′端标记的底物链和脱氧核酶用CPG作为固相载体，使用DNA单体在DNA合成仪上从3′端开始合成，最后在5′端修饰步骤1）中合成的丙烯酸亚磷酰胺单体；合成结束后，将上述CPG转移至2ml Eppendorf管中，加入0.5 mL 25 %的氨水在65℃下氨解8 hr，使DNA从CPG上切割下来；氨解完毕取上清液进行酒精沉淀，加入0.1倍体积的3M NaCl和3倍体积的乙醇在-20°C冰箱中静置20min，将得到的沉淀去除上层清液，再将沉淀溶于0.1M的醋酸三乙胺溶液中，用0.22μm的滤膜过滤，再用高效液相色谱仪进行纯化；

3）底物链和脱氧核酶分别与丙烯酰胺单体聚合形成线性高分子链：

将经过步骤2）经甲基丙烯基团修饰的底物链和经甲基丙烯基团修饰的脱氧核酶分别溶解到含4%丙烯酰胺单体的50mM HEPES缓冲溶液中，抽真空10min，再向体系中加入终体积1.4%的10%过硫酸铵和终体积为1.4%的5%四甲基乙二胺中，再次抽真空10min；底物链和脱氧核酶分别与丙烯酰胺单体聚合形成线性高分子链；

4)金纳米的修饰：

取1.5mL合成好的金纳米颗粒于1.5mL离心管中，再向管中加入质量体积比为1.5%的牛血清蛋白；金纳米和牛血清蛋白孵育2-3小时之后，离心并去除上清液，将下层重新溶于水中就得到保护的金纳米粒子；

5)脱氧核酶水凝胶的制备：

将10μL两条聚合好的DNA聚丙烯酰胺加入1/10体积的牛血清蛋白封闭的金纳米颗粒，振荡混匀后，再将两条聚合链混合，将混合后的溶液置于60°C干浴器中10min后自然冷却至室温，得到包裹金纳米颗粒的脱氧核酶水凝胶。

3.根据权利要求1所述的一种基于脱氧核酶水凝胶的铜离子检测传感器，其特征在于：它用于测定水样中铜离子残留的测定方法为：

1）将100μL 待测水样用移液器加入脱氧核酶水凝胶缓冲体系上部的缓冲液层，置于37℃干浴器中，用吸管轻轻吸打缓冲液层，使缓冲液与加入的待测水样均匀混合；

2）将加入了待测水样的脱氧核酶水凝胶缓冲体系于37℃干浴器中放置1.5小时，并用肉眼观察体系中下层酒红色的水凝胶是否逐渐扩散开来；

3）目测结果，阴性样品在脱氧核酶水凝胶检测传感器中，上下次酒红色水凝胶不扩散，阳性样品下层酒红色水凝胶均匀扩散至上层缓冲液体系；

4）铜离子检测传感器中加入100μL 已知道浓度的铜离子水溶液，铜离子浓度小于1000μM，重复步骤1）和步骤2）；

5）步骤2）和步骤4）中的脱氧核酶水凝胶检测传感器下层酒红色水凝胶的扩散瓦解程度，扩散瓦解程度大的样品铜离子的含量高。