CN103439318B - 一种检测环境中铅离子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测铅离子的方法，该方法将序列表中序列1、2分别用缓冲溶液稀释后，混合杂交后形成核酸酶溶液，序列1和序列2的摩尔比为1:1～3:1；将预处理后的待测样品加入到核酸酶溶液中，静置使核酸酶与铅离子完全反应，之后加入序列3，序列3与2摩尔比1:1～3:1；再静置，然后再加入氯化血晶素，得到A溶液；B溶液是含有鲁米诺，双氧水和对碘苯酚的缓冲水溶液；再将A溶液和B溶液按照体积比为1:2～2:1的比例缓慢混合，混合反应的同时检测混合溶液的化学发光强度；根据混合溶液的化学发光强度得到待测样品的铅离子浓度。本发明用于检测铅离子含量，具有灵敏度高，选择性好，且具有很好的重复性，操作简单易行，可直接应用于环境中铅离子的检测。

Description

一种检测环境中铅离子的方法

技术领域

本发明属于金属离子检测领域，具体涉及一种铅离子的检测方法，尤其适用于检测环境中的铅离子的浓度。

背景技术

目前，检测铅离子的方法有多种，常用的有微分电位溶出分析法、石墨炉原子吸收光谱法、氢化物发生原子荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法、双硫腙比色法等。微分电位溶出分析法方法简便，灵敏度较高，但容易受到有机物的干扰；石墨炉原子吸收光谱法准确度和精密度好，基底干扰效应小，但检测较为耗时；氢化物发生原子荧光光谱法特异性较好，但荧光转换效率较低，散射光影响较大，且需专业人员操作；电感耦合等离子体质谱法灵敏度高，检测范围宽，是公认的最好方法，但其存在基体干扰问题，且仪器和检测成本高昂；双硫腙比色法结果准确可靠，稳定性好，但操作繁琐，灵敏度相对较低。因此研究高灵敏度高特异性的铅检测方法十分必要。

‘8-17’核酸酶在1997年首先由Santoro and Joyce报道，它具有一个铅离子高特异性的切位点，这引起了研究人员的极大兴趣将之用于铅离子的检测。目前，已有人利用‘8-17’DNA酶基于色度法、荧光法以及电化学方法完成了对铅离子的检测。然而，色度法分离样品时前处理步骤繁琐且难以达到微量检测水平；荧光法尽管灵敏度较高但准确性差；而低特异性及低灵敏度也一直是电化学方法检测的难题。

化学发光法无需要外来光源的激发，具有背景干扰小、灵敏度高、易于检测、免标记荧光基团或电活性分子等优点，因此在生化分析中得到广泛应用。特别是借助于过氧化氢酶催化鲁米诺的化学发光，已在金属离子的检测领域得到有效应用。上世纪90年代，Sen等首次报道了一种具有类似过氧化氢酶催化活性的氯化血红素/G-四链体结构，此后，随后众多研究者都利用这种具有催化鲁米诺发光的无酶体系来检测金属离子，包括结合‘8-17’核酸酶用于铅离子的检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单易行、灵敏度高和选择性好的检测铅离子的方法。

本发明提供的一种检测铅离子的方法，包括下述步骤：

第1步配制A溶液和B溶液：

将序列表中序列1和序列2分别用缓冲溶液稀释后，再混合杂交后形成核酸酶溶液，序列1和序列2的摩尔比为1:1～3:1；将预处理后的待测样品加入到核酸酶溶液中，核酸酶溶液中核酸酶的浓度为0.1μmol/L～1μmol/L；静置使核酸酶与铅离子完全反应，之后加入序列3，序列3与序列2摩尔比1:1～3:1；再静置，然后再加入氯化血晶素，得到A溶液，最终A溶液中，氯化血晶素的浓度为0.02μmol/L～0.2μmol/L；

所述B溶液是含有鲁米诺，双氧水和对碘苯酚的缓冲水溶液，B溶液中，鲁米诺的浓度为0.01mmol/L～0.15mmol/L，双氧水的浓度为0.05mmol/L～0.75mmol/L，对碘苯酚的浓度为0.05mmol/L～0.75mmol/L；

第2步将A溶液和B溶液按照体积比为1:2～2:1的比例缓慢混合，混合反应的同时检测混合溶液的化学发光强度；

第3步根据混合溶液的化学发光强度得到待测样品的铅离子浓度。

作为上述技术方案的改进，所述缓冲溶液为浓度10～100mmol/L的HEPES溶液，浓度为10～200mmol/L的Tris-HCl，浓度为10～200mmol/L的Tris-Acetate，或者浓度为10～100mmol/L的PBS溶液，缓冲液的pH值范围在7.0～10；稀释后序列1和序列2的摩尔浓度均为0.1μmol/L～1μmol/L。

作为上述技术方案的进一步改进，所述待测样品的预处理过程为：

向待测样品中加入过量的浓硝酸溶液，搅拌加热至90℃以上但是不沸腾，保温让待测样品全部被浓硝酸氧化溶解，得到硝酸酸化的溶液；然后，让所述溶液冷却至60℃以下，再将过量的双氧水缓慢加入其中，搅拌加热至90℃以上但是出现沸腾，直至没有气泡产生；再将所得溶液冷却至60℃以下，加入过量的盐酸溶液，搅拌加热不出现沸腾，保温10min～1h；冷却至室温后，将所得溶液过滤，蒸发浓缩，然后用缓冲溶液定容，得到预处理之后的待测样品。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述待测样品的预处理过程为：第3步是将得到的化学发光强度与标准曲线比较，所对应的铅离子浓度作为待测样品的铅离子浓度。

所述标准曲线的制作过程为：

(a1)配制铅离子溶液的浓度梯度，包括N个浓度，N≥11；

(a2)按照第2步相同的方式配制N份A溶液和N份B溶液：

(a3)将N份A溶液分别和N份B溶液分别按照体积比为1:2～2:1的比例缓慢混合，混合反应的同时检测混合溶液的化学发光强度；

(a4)以化学发光强度及铅离子浓度分别作为纵横坐标，利用N个化学发光强度及其所对应的铅离子浓度绘制曲线，得到标准曲线。

本发明实现了一种检测环境中铅离子的方法，利用铅离子能特异性切割核酸酶之后，能够形成具有类似过氧化氢酶活性的四链体结构，催化鲁米诺氧化产生化学发光。该方法操作简单易行，具有灵敏度高、选择性好等优点，所设计的核酸酶传感器检测限可达0.79nmol/L，具有很好的重现性，可直接应用于环境中铅离子的检测。

附图说明

图1为所设计的‘8-17’核酸酶的序列。

图2为铅离子化学发光检测原理图。

图3为实例1中化学发光强度与铅离子浓度的关系图，其中，A为关系图，B为标准曲线。

图4为天然湖水中铅离子浓度的检测结果。

图5为基于核酸酶的铅离子检测的特异性。

图6为基于核酸酶的铅离子检测重现性。

图7为序列表中三个序列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

‘8-17’核酸酶在1997年首先由Santoro和Joyce(Santoro S.W.,Joyce G.F.；一种通用的RNA切点核酸酶；Proc.Natl.Acad.Sci.USA)报道，陆艺等人(李静，陆艺；一种高灵敏度高选择性检测铅离子的核酸酶生物传感器；J.AM.Chem.Soc.)证实了其具有一个铅离子高特异性的切位点。在此研究中，本发明选取了此核酸酶的酶链序列和基链序列。具体合成设计了以下三段序列：

第一段序列为核酸酶的酶链序列，含有33个碱基(如SEQ ID NO.1所示，即CCA CTC TTC TCC GAG CCG GTC GAA ATA GTG AGT)。第一段序列称之为序列1。第二段序列为核酸酶的基链序列，含有25个碱基(如SEQ ID NO.2所示，即ACT CAC TAT rA GGA AGA GTG GGT GGG)，5’端与酶链互补，3’端比酶序列略长，含有很多G碱基，且含有一个核糖核苷酸A，它是酶活性的关键。第二段序列称之为序列2。

第三段序列含有15个碱基(如SEQ ID NO.3所示，即GGG TGG GTCTCT TCC)，3’端与基链序列部分互补，5’含有很多G碱基，能与基链3’端形成具有过氧化氢酶活性的四链体结构。第三段序列称之为序列3。

序列1、2、3均为一段脱氧核糖核苷酸序列，用于作为与铅离子反应的反应物。

本发明实例提供的可用于环境中铅离子高灵敏度特异性检测方法，其步骤为：

第1步对待测样品进行预处理：

向待测样品中加入过量的浓硝酸溶液，搅拌加热至90℃以上但是不沸腾，保温让待测样品全部被浓硝酸氧化溶解，得到硝酸酸化的溶液。然后，让所述溶液冷却至60℃以下，再将过量的双氧水缓慢加入其中，搅拌加热至90℃以上但是出现沸腾，直至没有气泡产生。再将所得溶液冷却至60℃以下，加入过量的盐酸溶液，搅拌加热不出现沸腾，保温10min～1h。冷却至室温后，将所得溶液过滤，蒸发浓缩，然后用缓冲溶液定容

缓冲溶液可以选用是浓度为10～100mmol/L的HEPES溶液或浓度为10～200mmol/L的Tris-HCl或者浓度为10～200mmol/L的Tris-Acetate或者浓度为10～100mmol/L的PBS溶液，缓冲液的pH值范围在7.0～10，得到预处理之后的待测样品。

本发明检测的对象是环境中的铅离子，尤其气态或液态物中的铅离子，如湖水，河水，自来水，饮用水，生活污水等。

第2步配制A溶液和B溶液：

将序列1和序列2分别用缓冲溶液稀释后，再混合杂交后形成核酸酶溶液；将预处理后的待测样品加入到核酸酶溶液中，核酸酶溶液中核酸酶的浓度为0.1μmol/L～1μmol/L；静置使核酸酶与铅离子完全反应，之后加入序列3，序列3与序列2摩尔比1:1～3:1；再静置，然后再加入氯化血晶素，得到A溶液，最终A溶液中，氯化血晶素的浓度为0.02μmol/L～0.2μmol/L；

序列1和序列2稀释所使用的缓冲溶液及其浓度可以相同或不同，如缓冲溶液可以选用是浓度为10～100mmol/L的HEPES溶液或浓度为10～200mmol/L的Tris-HCl或者浓度为10～200mmol/L的Tris-Acetate或者浓度为10～100mmol/L的PBS溶液，缓冲液的pH值范围在7.0～10；稀释后序列1和序列2的摩尔浓度均为0.1μmol/L～1μmol/L。序列1和序列2的摩尔比为1:1～3:1。

所述B溶液是含有鲁米诺，双氧水和对碘苯酚的缓冲水溶液，B溶液中，鲁米诺的浓度为0.01mmol/L～0.15mmol/L，双氧水的浓度为0.05mmol/L～0.75mmol/L，对碘苯酚的浓度为0.05mmol/L～0.75mmol/L；

第3步将A溶液和B溶液按照体积比为1:2～2:1的比例缓慢混合，混合反应的同时检测混合溶液的化学发光强度；

第4步将得到的化学发光强度与标准曲线比较，所对应的铅离子浓度作为待测样品的铅离子浓度。

所述标准曲线的制备过程为：

(a1)配制铅离子溶液的浓度梯度，包括N个浓度，N≥11；

(a2)配制A溶液和B溶液：

序列1和序列2混合杂交后形成核酸酶溶液，序列1和序列2的摩尔比为1:1～3:1，将N个浓度的所述铅离子溶液分别加入到N份核酸酶溶液中，核酸酶溶液中核酸酶的浓度为0.1μmol/L～1μmol/L，；静置使核酸酶与铅离子完全反应，之后分别加入序列3，序列3与序列2摩尔比1:1～3:1；再静置，然后再分别加入氯化血晶素，得到N份A溶液,每份A溶液中，氯化血晶素的浓度均为0.02μmol/L～0.2μmol/L；

所述B溶液是含有鲁米诺，双氧水和对碘苯酚的缓冲水溶液，鲁米诺的浓度为0.01mmol/L～0.15mmol/L，双氧水的浓度为0.05mmol/L～0.75mmol/L，对碘苯酚的浓度为0.05mmol/L～0.75mmol/L；

(a3)将N份A溶液分别和N份B溶液按照体积比为1:2～2:1的比例缓慢混合，混合反应的同时检测各混合溶液的化学发光强度；

(a4)以化学发光强度及铅离子浓度分别作为纵横坐标，利用N个化学发光强度及其所对应的铅离子浓度绘制曲线，得到标准曲线。

将序列1和序列2混合形成核酸酶后，将待测样品加入其中。若待测样品中含有铅离子，核酸酶会被切开，加入序列3和氯化血晶素和后，得到A溶液，将其与B溶液混合，即可检测到化学发光的产生。检测到体系的化学发光光强与铅离子浓度呈良好的线性关系。

结合‘8-17’核酸酶和能形成G-四链体结构的寡核苷酸序列建立了一种高灵敏度高特异性的铅离子化学发光检测方法。

实例：

实施例1

第一步标准铅离子溶液：

配制11份标准的铅离子溶液梯度。浓度依次为0mol/L,50nmol/L,100nmol/L,500nmol/L,1μmol/L,2μmol/L,5μmol/L,10μmol/L,20μmol/L,50μmol/L和100μmol/L。

第二步配制A溶液和B溶液：

将序列1和序列2用40mmol/L的HEPES缓冲溶液稀释(含20mmol/LKNO₃,200mmol/L NaNO₃,0.025％Triton X-100and 1％DMSO,pH 7.4)，混合杂交后形成核酸酶，得到核酸酶的浓度为0.5μmol/L。然后将配制好的11份标准的铅离子溶液分别加入到相同体积的11份核酸酶溶液中，涡旋混合后室温反应3h。之后加入序列3，序列3与序列2摩尔比为1:1，涡旋后静置1h，将氯化血晶素加入其中，得到11份A溶液。各个A溶液中，氯化血晶素的最终浓度为0.1μmol/L，铅离子的最终浓度依次为0mol/L,5nmol/L,10nmol/L,50nmol/L,100nmol/L,200nmol/L,500nmol/L,1μmol/L,2μmol/L,5μmol/L和10μmol/L。

B溶液是含有鲁米诺，双氧水和对碘苯酚的25mmol/L的HEPES缓冲溶液(含20mmol/L KNO₃,200mmol/L NaNO₃,0.025％Triton X-100and 1％DMSO,pH 7.4)。B溶液中，鲁米诺的浓度为0.1mmol/L，双氧水的浓度为0.5mmol/L，对碘苯酚的浓度为0.5mmol/L。

第三步将11份A溶液分别和11份B溶液按照体积比1:1缓慢混合，混合反应的同时检测混合溶液的化学发光强度。

图3A显示随着铅离子浓度的增大，检测到体系的化学发光光强越强。且当铅离子浓度在5nmol/L～1μmol/L时,铅离子浓度与体系的化学发光光强呈良好的线性关系。以此为依据，制作标准曲线(图3B,插图)。

实施例2

第一步待测天然湖水实际样品：

取100ml天然湖水，旋转蒸发至约5ml，加入浓硝酸5ml,搅拌加热至93℃(不出现沸腾)，保温30min之后，冷却至60℃以下，缓慢加入10ml体积百分比浓度为30％的双氧水，搅拌加热至93℃直至没有气泡产生。再冷却至60℃以下，加入5ml浓盐酸，搅拌加热15min之后，过滤，蒸发浓缩，用25mmol/L的HEPES缓冲溶液(含20mmol/L KNO₃,200mmol/LNaNO₃,0.025％Triton X-100and 1％DMSO,pH 7.4)定容至10ml。所得溶液为待测实际样品。

第二步配制A溶液和B溶液：

将序列1和序列2用40mmol/L的HEPES缓冲溶液稀释(含20mmol/LKNO₃,200mmol/L NaNO₃,0.025％Triton X-100and 1％DMSO,pH 7.4)，混合杂交后形成核酸酶。然后，加入待测实际样品，涡旋混合后室温反应3h，使其与核酸酶溶液完全反应。之后加入序列3，序列3与序列2的摩尔比为1:1，涡旋后静置1h，将氯化血晶素加入其中，得到A溶液。最终，A溶液中含有氯化血晶素的浓度为0.1μmol/L。

B溶液是含有鲁米诺，双氧水和对碘苯酚的25mmol/L的HEPES缓冲溶液(含20mmol/L KNO₃,200mmol/L NaNO₃,0.025％Triton X-100and 1％DMSO,pH 7.4)。B溶液中，鲁米诺的浓度为0.1mmol/L，双氧水的浓度为0.5mmol/L，对碘苯酚的浓度为0.5mmol/L。

第三步将A溶液和B溶液按照体积比1:1缓慢混合，混合反应的同时检测混合溶液的化学发光强度。

图4为A溶液和B溶液混合5次时，混合溶液的化学发光强度与时间和波长的三维关系，表明我们建立的方法可以很好的用于实际样品中铅含量的分析检测。

实施例3

第一步不同金属离子的标准溶液：

配制100μmol/L的Hg²⁺,Zn²⁺,Mn²⁺,Mg²⁺,Ca²⁺,Ba²⁺,Fe³⁺,Al³⁺,Cu²⁺,Cr³⁺,Cd²⁺,Co²⁺标准溶液。配制1μmol/L的Pb²⁺标准溶液。

第二步配制A溶液和B溶液：

将序列1和序列2用40mmol/L的HEPES缓冲溶液稀释(含20mmol/LKNO₃,200mmol/L NaNO₃,0.025％Triton X-100and 1％DMSO,pH 7.4)，混合杂交后形成核酸酶，得到核酸酶的浓度为0.5μmol/L。然后将配制好的13份不同金属的标准溶液分别加入到相同体积的13份核酸酶溶液中，涡旋混合后室温反应3h。之后加入序列3，序列3与序列2摩尔比为1:1，涡旋后静置1h，将氯化血晶素加入其中，得到13份A溶液。各个A溶液中，氯化血晶素的最终浓度为0.1μmol/L，铅离子的最终浓度依次为0.1mol/L,其他金属离子的最终浓度均为10μmol/L。

B溶液是含有鲁米诺，双氧水和对碘苯酚的25mmol/L的HEPES缓冲溶液(含20mmol/L KNO₃,200mmol/L NaNO₃,0.025％Triton X-100and 1％DMSO,pH 7.4)。B溶液中，鲁米诺的浓度为0.1mmol/L，双氧水的浓度为0.5mmol/L，对碘苯酚的浓度为0.5mmol/L。

第三步将13份A溶液分别和13份B溶液按照体积比1:1缓慢混合，混合反应的同时检测混合溶液的化学发光强度。

图5为0.1μM铅离子的A溶液和不同的金属离子A溶液分别和B溶液混合反应后，混合溶液产生的化学发光在452nm的光强的比较。可以发现，混合溶液中即使存在100倍的其它离子(Hg²⁺,Zn²⁺,Mn²⁺,Mg²⁺,Ca²⁺,Ba²⁺,Fe³⁺,Al³⁺,Cu²⁺,Cr³⁺,Cd²⁺,Co²⁺)时，所产生的化学发光强度跟背景光强相差无几；而相对它们1％的Pb²⁺就能产生很强的化学发光。这表明我们建立的方法具有很强的特异性，也暗示着其抗干扰能力较强。

实施例4

第一步标准铅离子溶液：

配制3份标准的铅离子溶液，浓度为1μmol/L。

第二步配制A溶液和B溶液：

将序列1和序列2用40mmol/L的HEPES缓冲溶液稀释(含20mmol/LKNO₃,200mmol/L NaNO₃,0.025％Triton X-100and 1％DMSO,pH 7.4)，混合杂交后形成核酸酶，得到核酸酶的浓度为0.5μmol/L。然后将配制好标准的铅离子溶液加入到相同体积的核酸酶溶液中，涡旋混合后室温反应3h。之后加入序列3，序列3与序列2摩尔比为1:1，涡旋后静置1h，将氯化血晶素加入其中，得到A溶液。A溶液中，氯化血晶素的最终浓度为0.1μmol/L，铅离子的最终浓度依次为0.1μmol/L。

B溶液是含有鲁米诺，双氧水和对碘苯酚的25mmol/L的HEPES缓冲溶液(含20mmol/L KNO₃,200mmol/L NaNO₃,0.025％Triton X-100and 1％DMSO,pH 7.4)。B溶液中，鲁米诺的浓度为0.1mmol/L，双氧水的浓度为0.5mmol/L，对碘苯酚的浓度为0.5mmol/L。

第三步将A溶液以及HEPES缓冲溶液轮流的和B溶液按照体积比1:1缓慢混合，混合反应的同时检测混合溶液的化学发光强度。

图6为A溶液和HEPES缓冲溶液交替和B溶液混合时，混合溶液的化学发光在452nm光强变化。可以发现，当A溶液泵入时，立刻能检测到混合溶液的化学发光；而停止进样，改为泵入相同量的缓冲液时就检测不到混合溶液的化学发光。可见该方法具有良好的重现性。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种检测环境中铅离子的方法，包括下述步骤：

第1步配制A溶液和B溶液：

将序列表中序列1和序列2分别用缓冲溶液稀释后，再混合杂交后形成核酸酶溶液，序列1和序列2的摩尔比为1:1～3:1；将预处理后的待测样品加入到核酸酶溶液中，核酸酶溶液中核酸酶的浓度为0.1μmol/L～1μmol/L；静置使核酸酶与铅离子完全反应，之后加入序列3，序列3与序列2摩尔比1:1～3:1；再静置，然后再加入氯化血晶素，得到A溶液，最终A溶液中，氯化血晶素的浓度为0.02μmol/L～0.2μmol/L；

所述B溶液是含有鲁米诺，双氧水和对碘苯酚的缓冲水溶液，B溶液中，鲁米诺的浓度为0.01mmol/L～0.15mmol/L，双氧水的浓度为0.05mmol/L～0.75mmol/L，对碘苯酚的浓度为0.05mmol/L～0.75mmol/L；

第2步将A溶液和B溶液按照体积比为1:2～2:1的比例缓慢混合，混合反应的同时检测混合溶液的化学发光强度；

第3步根据混合溶液的化学发光强度得到待测样品的铅离子浓度。

2.根据权利要求1所述的检测环境中铅离子的方法，其特征在于，所述缓冲溶液为浓度10～100mmol/L的HEPES溶液，浓度为10～200mmol/L的Tris-HCl，浓度为10～200mmol/L的Tris-Acetate，或者浓度为10～100mmol/L的PBS溶液，缓冲液的pH值范围在7.0～10；稀释后序列1和序列2的摩尔浓度均为0.1μmol/L～1μmol/L。

3.根据权利要求1或2所述的检测环境中铅离子的方法，其特征在于，所述待测样品的预处理过程为：

向待测样品中加入过量的浓硝酸溶液，搅拌加热至90℃以上但是不沸腾，保温让待测样品全部被浓硝酸氧化溶解，得到硝酸酸化的溶液；然后，让所述溶液冷却至60℃以下，再将过量的双氧水缓慢加入其中，搅拌加热至90℃以上但是出现沸腾，直至没有气泡产生；再将所得溶液冷却至60℃以下，加入过量的盐酸溶液，搅拌加热不出现沸腾，保温10min～1h；冷却至室温后，将所得溶液过滤，蒸发浓缩，然后用缓冲溶液定容，得到预处理之后的待测样品。

4.根据权利要求1或2所述的检测环境中铅离子的方法，其特征在于，第3步是将得到的化学发光强度与标准曲线比较，所对应的铅离子浓度作为待测样品的铅离子浓度。

5.根据权利要求4所述的检测环境中铅离子的方法，其特征在于，所述标准曲线的制作过程为：

(a1)配制铅离子溶液的浓度梯度，包括N个浓度，N≥11；

(a2)按照第1步相同的方式配制N份A溶液和N份B溶液：

(a3)将N份A溶液分别和N份B溶液分别按照体积比为1:2～2:1的比例缓慢混合，混合反应的同时检测混合溶液的化学发光强度；

(a4)以化学发光强度及铅离子浓度分别作为纵横坐标，利用N个化学发光强度及其所对应的铅离子浓度绘制曲线，得到标准曲线。