CN106706575A - 一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法,属分析检测技术领域,包括以下步骤:首先选两条长度不等且同时富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子,分别配制成溶液,水浴处理后备用;将所得两种溶液、硫代黄素溶液和Tris‑HNO3缓冲液进行混合,得混合液;在混合液中加入Hg2+,室温震荡30min,在450 nm下测定荧光强度值,根据测定的荧光强度值计算Hg2+的浓度。该方法是基于Hg2+诱导的免标记DNA分子的双链/ G‑四链体自组装及ThT嵌入双链DNA和G‑四链体后荧光剧烈增强,不仅避免了复杂的DNA荧光标记过程,实现荧光信号双重放大,操作简单,成本低廉,特异性好且灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于化学/生物传感及分析检测技术领域,具体地涉及一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法。
背景技术
Hg2+是一种毒性很大、不能生物降解的重金属离子。随着工业的不断发展,环境中的汞也不断增加,汞被动植物吸收后,通过食物链的传递和生物的富集作用,汞离子对环境的影响,会逐步转化为为对人类健康的影响。当人体体内的汞离子含量积累到一定程度时,会导致脑、肝脏和肾脏功能下降,严重时甚至死亡。
传统检测Hg2+的分析方法主要有电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、原子吸收/荧光光谱、冷原子荧光光谱,高效液相色谱(HPLC)、离子色谱法等。虽然这些方法灵敏度高,选择性好,但是其仪器设备昂贵,样品前处理复杂、检测费力、费时、成本高。
荧光传感器是一种方便的分子识别光化学传感器,具有选择性好、灵敏度高、容易操作等特点,成为检测Hg2+的一种非常重要的方法。目前,常用于Hg2+检测的荧光材料主要有荧光量子点和有机小分子探针,但是现有的探针普遍存在着水溶性差、生物相容性差的缺点,这在很大程度上阻碍了它们的实际应用。作为生物相容材料,DNA 的结构和性能对金属离子的影响非常灵敏,因此已经广泛应用于Hg2+的检测。例如,DNA分子在特殊情况下会形成双链配位结构,作为探针的DNA分子通常通过染料分子标记制得,但标记过程操作复杂,且成本较高。又如,G-四链体是一种富含G碱基的特殊结构的DNA,他具有与相关物质结合而发出荧光的特性,由于其结构的特殊性,它可以选择性地与一些目标分子相互结合而产生荧光信号的变化,因此已经被应用于多种生物传感器的设计中,但是,这些设计中大多存在结构不稳定,荧光信号不灵敏、成本高等问题。
发明内容
针对目前Hg2+测定操作复杂,费时、费力,成本较高的现状,本发明的目的在于提供一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法,该方法是基于:没有Hg2+存在时,免标记单链DNA分子A和免标记单链DNA分子B在溶液中处于自然的无规则卷曲状态,此时单链DNA分子A和单链DNA分子B两端的富G序列距离较远,无法折叠成G-四链体结构。而Hg2+存在时,单链DNA分子A和单链DNA分子B两端的富胸腺嘧啶(T)部分,可以特异性地结合Hg2+形成稳定的T-Hg2+-T结构(类双链DNA结构),这拉近了单链DNA分子A和单链DNA分子B两端的富G序列,使其可以折叠形成G-四链体结构,选择的荧光染料硫代黄素(ThT)不仅能与双链结合,而且还能嵌入G-四链体性中,实现荧光信号双重放大,荧光强度大大增加。本方法不仅避免了复杂的DNA荧光标记过程,操作简单,成本低廉,而且保持了对Hg2+检测的高特异性和高灵敏度。
一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法,包括以下步骤:
步骤一、选取两条长度不等且均富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子A和B,分别配制成溶液A和溶液B,将两种溶液分别于90℃水浴5 min,冷却至室温,备用;所述非标记单链DNA分子A和B均在分子链的一端富T,另一端富G;
步骤二、将所得溶液A、溶液B与硫代黄素溶液进行混合,得混合物Ⅰ;将混合液Ⅰ与Tris-HNO3缓冲液进行混合,得混合液Ⅱ;其中混合液Ⅱ中非标记单链DNA分子A的摩尔浓度为0.5-1.5μmol/L,非标记单链DNA分子B的摩尔浓度为0.5-1.5μmol/L,硫代黄素的摩尔浓度为2.0μmol/L;
步骤三、向混合液Ⅱ中加入Hg2+,使混合液Ⅱ中Hg2+浓度为0.3 - 4µmol/L;将加入Hg2+的混合液Ⅱ置于室温下震荡30min,然后在450 nm激发波长下测定荧光强度值,根据测定的荧光强度值计算Hg2+的浓度。
进一步的,步骤一所述非标记单链DNA分子A和B中的G碱基比为4:8。
进一步的,所述非标记单链DNA分子A和B的匹配长度为9个T碱基。
进一步的,步骤二所述Tris-HNO3缓冲液中包含20mmol/L的Mg2+。
进一步的,步骤二所述混合液Ⅰ中非标记单链DNA分子A和B的摩尔数相等。
进一步的,所述步骤二的具体操作步骤为:将10μL摩尔浓度为100μmol/L的溶液A、10μL摩尔浓度为100μmol/L的溶液B 和 10μL 摩尔浓度为200μmol/L的硫代黄素溶液进行混合,得混合液Ⅰ;再将混合液Ⅰ溶于 970μL 摩尔浓度为10mmol/L的Tris-HNO3缓冲液混合均匀,得混合液Ⅱ。
有益效果:
1、本发明采用环境友好的DNA作为检测探针,DNA分子采用两条长度不同的非标记单链DNA,均富含碱基T和G,在适宜的条件下,Hg2+能与DNA中胸腺嘧啶(T)高度特异性结合形成稳定的“T-Hg2+-T”配位结构,形成的“T-Hg2+-T”配位结构使两条非标记单链DNA分子相互接近并折叠成G-四链体结构,硫代黄素同时嵌入双链和四链中,实现荧光强度双重扩大,荧光强度最高增强约16倍,使检测灵敏度更高、对Hg2+选择性更好。
2、本发明采用的荧光染料,一方面能诱导G-四链体结构的形成,另一方面在没有Hg2+时,荧光背景信号非常低,当加入Hg2+时,荧光强度增强,且荧光强度与Hg2+浓度成正比;操作中,首先将DNA分子与荧光染料进行混合,可增加形成DNA分子结构的诱导作用。在此过程中,无需对核酸分子进行标记,直接置于荧光分光光度计中进行检测,操作简单有效,采用的荧光染料价格便宜,成本较低。
附图说明
图1是实施例1、实施例2、实施例3和实施例4所述四种方法所测荧光强度对比图;
图2是非标记单链DNA分子A和B的含量比对荧光分析的影响图;
图3是硫代黄素浓度对荧光强度影响图;
图4是Tris-HNO3缓冲液中Mg2+浓度对荧光强度影响图;
图5是实施例9 中Hg2+浓度与荧光曲线关系图;
图6是Hg2+浓度与荧光强度线性关系图;
图7是实施例10中对不同金属离子的选择性检测结果图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1 一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法
选取两条长度不等且同时富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子A和B,分别配制成浓度均为100µmol/L的溶液A和溶液B,将两种溶液分别于90℃水浴5 min,冷却至室温后,以1:1的体积比进行混合,得混合液,备用;其中,非标记单链DNA分子A的核苷酸序列为5’-TTTTTTTGTGGGT-3’,如SEQ ID NO:1所示;所述非标记单链DNA分子B的核苷酸序列为5’-GGGTGGGTGGTTATTTA -3’ ,如SEQ ID NO:2所示;非标记单链DNA分子A和B的匹配长度为7个T碱基。
将20μL混合液和 10μL 200μmol/L的硫代黄素溶液进行混合,得混合物Ⅰ;将混合物Ⅰ和 970μL 10mmol/L的Tris-HNO3缓冲液进行混合,得混合液Ⅱ;向1mL混合液Ⅱ中加入一定体积的10mmol/L的Hg(NO3 )2溶液,使Hg2+的终浓度为4.0 µmol/L,室温下振荡30min,然后在450nm激发波长下测其荧光强度值。
实施例2 一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法
选取两条长度不等且同时富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子A和B,分别配制成浓度均为100µmol/L的溶液A和溶液B,将两种溶液分别于90℃水浴5 min,冷却至室温后,以1:1的体积比进行混合,得混合液Ⅰ,备用;其中,非标记单链DNA分子A的核苷酸序列为5’-TTTTTTTTGTGGGT-3’,如SEQ ID NO:3所示;所述非标记单链DNA分子B的核苷酸序列为5’-GGGTGGGTGGTTATTTAT -3’, 如SEQ ID NO:4所示; 非标记单链DNA分子A和B的匹配长度为8个T碱基。
将20μL混合液和 10μL 200μmol/L的硫代黄素溶液进行混合,得混合物Ⅰ;将混合物Ⅰ和 970μL 10mmol/L的Tris-HNO3缓冲液进行混合,得混合液Ⅱ;向1mL混合液Ⅱ中加入一定体积的10mmol/L的Hg(NO3 )2溶液,使Hg2+的终浓度为4.0µmol/L,室温下振荡30min,然后在450nm激发波长下测其荧光强度值。
实施例3 一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法
选取两条长度不等且同时富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子A和B,分别配制成浓度均为100µmol/L的溶液A和溶液B,将两种溶液分别于90℃水浴5min,冷却至室温后,以1:1的体积比进行混合,得混合液Ⅰ,备用;其中,非标记单链DNA分子A的核苷酸序列为5’-TTTTTTTTTGTGGGT-3’, 如SEQ ID NO:5所示;所述非标记单链DNA分子B的核苷酸序列为5’-GGGTGGGTGGTTATTTATT-3’, 如SEQ ID NO:6所示; 非标记单链DNA分子A和B的匹配长度为9个T碱基。
将20μL混合液和 10μL 200μmol/L的硫代黄素溶液进行混合,得混合物Ⅰ;将混合物Ⅰ和 970μL 10mmol/L的Tris-HNO3缓冲液进行混合,得混合液Ⅱ;向1mL混合液Ⅱ中加入一定体积的10mmol/L的Hg(NO3 )2溶液,使Hg2+的终浓度为4.0µmol/L,室温下振荡30min,然后在450nm激发波长下测其荧光强度值。
实施例4 一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法
选取两条长度不等且同时富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子A和B,分别配制成浓度均为100µmol/L的溶液A和溶液B,将两种溶液分别于90℃水浴5min,冷却至室温后,以1:1的体积比进行混合,得混合液Ⅰ,备用;其中,非标记单链DNA分子A的核苷酸序列为5’-TTTTTTTTTTGTGGGT -3’, 如SEQ ID NO:7所示;所述非标记单链DNA分子B的核苷酸序列为5’- GGGTGGGTGGTTATTTATTA -3’,如SEQ ID NO:8所示; 非标记单链DNA分子A和B的匹配长度为10个T碱基。
将20μL混合液和 10μL 200μmol/L的硫代黄素溶液进行混合,得混合物Ⅰ;将混合物Ⅰ和 970μL 10mmol/L的Tris-HNO3缓冲液进行混合,得混合液Ⅱ;向1mL混合液Ⅱ中加入一定体积的10mmol/L的Hg(NO3 )2溶液,使Hg2+的终浓度为4.0µmol/L,室温下振荡30min,然后在450nm激发波长下测其荧光强度值。
将实施例1、实施例2、实施例3和实施例4所测荧光强度值进行对比,如图1,当两条链匹配长度为9个T碱基时,荧光强度比值优于其他匹配长度的荧光强度。
实施例5 小牛血清中Hg2+的检测
一、样品处理
把小牛血清与乙醇以1:1的体积比混合振荡,置于冰箱冷藏(0-4℃)过夜,次日取出,15,000 rpm离心10min,取上清液置于3 KD截留分子量的超滤管中,13,000rpm 4 ℃冷冻离心20min,取过滤液,进行溶液配制。
二、溶液配制
溶液1:取400µL过滤液与600µL摩尔浓度为10mmol/L 的Tris-HNO3(20mmol/L Mg2+, pH7.4)缓冲溶液混合均匀,备用;
溶液2:取400µL过滤液、100 µL 1.0mmol/L Hg2+和500µL 10mmol/L Tris-HNO3(20mmol/L Mg2+,pH=7.4)缓冲溶液,混合均匀,得到含有0.1mmol/L Hg2+的小牛血清处理液。
三、测定
选取两条长度不等且同时富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子A和B,分别配制成浓度均为100µmol/L的溶液A和溶液B,将两种溶液分别于90℃水浴5min,冷却至室温后,以1:1的体积比进行混合,得混合液,备用;其中,非标记单链DNA分子A的核苷酸序列为5’-TTTTTTTTTGTGGGT-3’, 如SEQ ID NO:5所示; 所述非标记单链DNA分子B的核苷酸序列为5’-GGGTGGGTGGTTATTTATT-3’, 如SEQ ID NO:6所示。
将20μL混合液和 10μL 200μmol/L的硫代黄素溶液进行混合,得混合物Ⅰ;将混合物Ⅰ和 970μL 10mmol/L的Tris-HNO3缓冲液进行混合,得混合液Ⅱ;向1mL混合液Ⅱ中分别加入(1)10µL溶液1;(2):2.5µL溶液2;(3)5µL溶液2;(4)10µL溶液2; 室温下振荡30min,在450 nm激发波长下分别测其荧光强度值,本发明对小牛血清中Hg2+浓度进行测定和回收,测定结果与AFS(原子荧光光谱)方法所得的值吻合较好,且在文献报道的正常范围之内,回收率在100%~107%,表明该体系能够很好的用于小牛血清中Hg2+的测定。
实施例6 两条非标记单链DNA分子的含量比对荧光分析的影响
选取两条长度不等且同时富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子A和B,分别配制成浓度均为100µmol/L的溶液A和溶液B,将两种溶液分别于90℃水浴5min,冷却至室温,备用;其中,非标记单链DNA分子A的核苷酸序列为5’- TTTTTTTTGTGGGT -3’, 如SEQ ID NO:5所示; 所述非标记单链DNA分子B的核苷酸序列为5’- GGGTGGGTGG TTATTTAT -3’, 如SEQ IDNO:6所示。
将20μL溶液A+B、10μL 200μmol/L的硫代黄素溶液和 970μL 10mmol/L的Tris-HNO3缓冲液进行混合,使混合液中非标记单链DNA分子B和A的摩尔数比分别为1:3、1:2、1:1、2:1和3:1,得五种混合液,向1mL混合液中分别加入不同体积的10mmol/L的Hg(NO3 )2溶液,使Hg2+的终浓度为4.0µmol/L,室温下振荡30min,然后在450 nm激发波长下测其荧光强度值。
结果如图2,当比值为3:1或2:1时,灵敏度较低;当比值为1:2或1:3时,线性范围太大,不利于计算汞离子浓度;所以,非标记单链DNA分子A和B的作用比例为1:1时,效果最佳。
实施例7 硫代黄素浓度对荧光分析的影响
选取两条长度不等且同时富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子A和B,分别配制成浓度均为100µmol/L的溶液A和溶液B,将两种溶液分别于90℃水浴5min,冷却至室温后,以1:1的体积比进行混合,得混合液Ⅰ,备用;其中,非标记单链DNA分子A的核苷酸序列为5’-TTTTTTTTGTGGGT -3’, 如SEQ ID NO:5所示; 所述非标记单链DNA分子B的核苷酸序列为5’- GGGTGGGTGGTTATTTAT -3’, 如SEQ ID NO:6所示。
将混合液Ⅰ、200μmol/L的硫代黄素溶液和 10mmol/L的Tris-HNO3缓冲液进行混合,混合液总体积为1mL,混合液中硫代黄素的摩尔浓度分别为0.2μmol/L、0.5μmol/L、1.0μmol/L、2.0μmol/L、3.0μmol/L和5.0μmol/L,得五种混合液;分别向五种混合液中加入Hg2+,室温下振荡30min,然后在450 nm激发波长下测其荧光强度值。
结果如图3所示,当硫代黄素的作用浓度小于2μmol/L时,灵敏度较低;大于2μmol/L时,荧光强度变化不明显;当硫代黄素的作用浓度为2μmol/L时,效果最佳又避免浪费,节约成本。
实施例8 Tris-HNO3缓冲液中Mg2+的浓度对荧光分析的影响
选取两条长度不等且同时富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子A和B,分别配制成浓度均为100µmol/L的溶液A和溶液B,将两种溶液分别于90℃水浴5 min,冷却至室温后,以1:1的体积比进行混合,得混合液Ⅰ,备用;其中,非标记单链DNA分子A的核苷酸序列为5’-TTTTTTTTGTGGGT -3’, 如SEQ ID NO:5所示; 所述非标记单链DNA分子B的核苷酸序列为5’- GGGTGGGTGGTTATTTAT -3’, 如SEQ ID NO:6所示。
将20μL混合液Ⅰ、10μL 200μmol/L的硫代黄素溶液和 970μL 10mmol/L的五种不同的Tris-HNO3缓冲液进行混合,得五种混合液,其中,五种不同的Tris-HNO3缓冲液中Mg2+的浓度分别为0mmol/L、10mmol/L、20mmol/L、25mmol/L和30mmol/L;分别向五种混合液中加入一定体积的10mmol/L的Hg(NO3 )2溶液,使Hg2+的终浓度分别为4.0µmol/L,室温下振荡30min,然后在450 nm激发波长下测其荧光强度值。
结果如图4所示,当Tris-HNO3缓冲液中Mg2+的浓度为20mmol/L时,效果最佳。
实施例9不同浓度Hg2+对荧光分析的影响
选取两条长度不等且同时富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子A和B,分别配制成浓度均为100µmol/L的溶液A和溶液B,将两种溶液分别于90℃水浴5 min,冷却至室温后,以1:1的体积比进行混合,得混合液Ⅰ,备用;其中,非标记单链DNA分子A的核苷酸序列为5’-TTTTTTTTTGTGGGT -3’, 如SEQ ID NO:5所示; 所述非标记单链DNA分子B的核苷酸序列为5’-GGGTGGGTGGTTATTTATT -3’, 如SEQ ID NO:6所示。
将20μL混合液Ⅰ、10μL 200μmol/L的硫代黄素溶液和 970μL 10mmol/L的Tris-HNO3缓冲液进行混合,得混合液Ⅱ;向1mL混合液Ⅱ中加入不同体积的10mmol/L的Hg(NO3 )2溶液,使Hg2+的终浓度分别为0、0.3、0.5、0.7、1.0、 1.3、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、3.0、3.5、4.0、5.0和7.0µmol/L,室温下振荡30min,然后450 nm激发波长下分别测其荧光强度值。
结果如图5所示,Hg2+浓度小于5µmol/L时,随着Hg2+浓度的增加,荧光强度也增强;Hg2+浓度大于5µmol/L时,荧光强度达到稳定的平台。
Hg2+浓度在0.3–4.0µmol/L范围内,相对荧光强度(F/F0)与Hg2+浓度成线性关系,如图6所示,线性方程为:F/F0 = 4.286 C/(μmol/L) -1.0584, r = 0.996。
实施例10测定本发明所述方法对不同金属离子的选择性
选取两条长度不等且同时富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子A和B,分别配制成浓度均为100µmol/L的溶液A和溶液B,将两种溶液分别于90℃水浴5min,冷却至室温后,以1:1的体积比进行混合,得混合液Ⅰ,备用;其中,非标记单链DNA分子A的核苷酸序列为5’-TTTTTTTTTGTGGGT-3’, 如SEQ ID NO:5所示; 所述非标记单链DNA分子B的核苷酸序列为5’-GGGTGGGTGGTTATTTATT-3’, 如SEQ ID NO:6所示。
将20μL混合液Ⅰ、10μL 200μmol/L的硫代黄素溶液和 970μL 10mmol/L的Tris-HNO3缓冲液进行混合,得混合液Ⅱ;向1mL混合液Ⅱ中分别加入:(1):3µmol/L Hg2+以及什么都不加作为对比参照;(2):相同浓度(3µmol/L)的不同金属离子,包括Na+, K+, Ca2+, Fe3+,Zn2+, Co2+,Cu2+, Ba2+, Ag+, Cr3+, Mn2+,Cd2+, Ni2+, Pb2+以及这些金属离子的混合液;(3):Hg2+(3µmol/L)和相同浓度(3µmol/L)的不同金属离子,包括Na+, K+, Ca2+, Fe3+,Zn2+,Co2+,Cu2+, Ba2+, Ag+, Cr3+, Mn2+,Cd2+, Ni2+, Pb2+以及这些金属离子的混合液, 室温下振荡30min,在450nm激发波长下分别测其荧光强度值,结果见图7。
由图7可知,此检测方法对Hg2+的响应信号非常高,而对其他金属离子的响应信号低,说明本发明所述方法对Hg2+的选择性非常好。
其中,非标记单链DNA分子均购自生工生物工程(上海)有限公司。
本发明所述实施例应理解为说明性的,而非限制本发明的保护范围,本发明不局限于所采用的DNA序列,对本领域技术人员而言,在不背离本发明实质和范围的前提下,对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
SEQUENCE LISTING
<110> 商丘师范学院
<120> 一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法
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<170> PatentIn version 3.5
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Claims (6)
1.一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一、选取两条长度不等且均富含T和G两种碱基的非标记单链DNA分子A和B,分别配制成溶液A和溶液B,将两种溶液分别于90℃水浴5 min,冷却至室温,备用;所述非标记单链DNA分子A和B均在分子链的一端富T,另一端富G;
步骤二、将所得溶液A、溶液B与硫代黄素溶液进行混合,得混合物Ⅰ;将混合液Ⅰ与Tris-HNO3缓冲液进行混合,得混合液Ⅱ;其中混合液Ⅱ中非标记单链DNA分子A的摩尔浓度为0.5-1.5μmol/L,非标记单链DNA分子B的摩尔浓度为0.5-1.5μmol/L,硫代黄素的摩尔浓度为2μmol/L;
步骤三、向混合液Ⅱ中加入Hg2+,使混合液Ⅱ中Hg2+浓度为0.3 - 4µmol/L;将加入Hg2+的混合液Ⅱ置于室温下震荡30min,然后在450 nm激发波长下测定荧光强度值,根据测定的荧光强度值计算Hg2+的浓度。
2.如权利要求1所述的一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法,其特征在于:步骤一所述非标记单链DNA分子A和B中的G碱基数的比为4:8。
3.如权利要求1所述的一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法,其特征在于:所述非标记单链DNA分子A和B的匹配长度为9个连续的T碱基。
4.如权利要求1所述的一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法,其特征在于:步骤二所述Tris-HNO3缓冲液中包含20mmol/L的Mg2+。
5.如权利要求1所述的一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法,其特征在于:步骤二所述混合液Ⅰ中非标记单链DNA分子A和B的摩尔数相等。
6.如权利要求1-5任意一种所述的一种测定Hg2+浓度的荧光分析方法,其特征在于:所述步骤二的具体操作步骤为:将10μL摩尔浓度为100μmol/L的溶液A、10μL摩尔浓度为100μmol/L的溶液B 和 10μL 摩尔浓度为200μmol/L的硫代黄素溶液进行混合,得混合液Ⅰ;再将混合液Ⅰ溶于 970μL 摩尔浓度为10mmol/L的Tris-HNO3缓冲液混合均匀,得混合液Ⅱ。
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