CN106841350B

CN106841350B - 基于核酸适配体检测汞离子的电化学传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN106841350B
Application number: CN201710066555.XA
Authority: CN
Inventors: 李慧; 韩聪; 刘素; 王玉; 黄加栋
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2017-02-07
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2019-03-26
Anticipated expiration: 2037-02-07
Also published as: CN106841350A

Abstract

本发明提供了一种基于核酸适配体构象变化检测汞离子的电化学传感器，其包括电极，所述电极上依次修饰有HAP层和Helper层，同时提供了其基于核酸适配体的特异性识别的生物学制备方法，本发明提供的电化学传感器，检测用具有特异性和灵敏度高、成本低、检测速度快的特点。

Description

基于核酸适配体检测汞离子的电化学传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物传感器技术领域，特别涉及基于核酸适配体构象变化的汞离子的电化学传感器，还涉及其制备方法。

背景技术

汞及其化合物对人体健康存在多种伤害，若存在于天然水体中，则会对大范围的人群造成威胁。它能够在生物体内积累，通过食物链转移到人体内。人体内累积的微量汞无法通过自身代谢进行排泄，将直接导致心脏、肝甲状腺疾病，引起神经系统紊乱，慢性汞中毒，甚至引发恶性肿瘤的形成。

溶解态的Hg²⁺往往具有较高的化学活性，是排入天然水体中汞污染物的主要存在形式，其化合物具有较高的水溶性，也是各种汞形态转化的枢纽。因此，汞离子的分析测定是人们十分关注的课题。目前，常用的汞化合物检测方法包括分光光度法、原子发射光谱法、原子吸收光谱法、氢化物发生-原子荧光光谱法等，这些方法往往存在仪器昂贵、分析周期长、样品预处理复杂、检测费用昂贵等问题，已经难以适应汞离子检测的方便、快捷、灵敏度等方面的要求。

因此，目前急需建立一种快速，准确，灵敏且高特异性的检测方法来检测食品中汞离子的残留。

发明内容

为了解决以上现有技术中检测汞离子的方法特异性和灵敏度都比较低、成本高的问题，本发明提供了一种特异性和灵敏度高、成本低、检测速度快的基于核酸适配体构象变化检测汞离子的电化学传感器。

本发明还提供了基于核酸适配体构象变化检测汞离子的电化学传感器的制备方法。

本发明是通过以下步骤得到的：

本发明中一共用到了3条DNA链，其序列分别是：

HAP: 5’-CCCAACTTTCCTCAGCTTGGGTAGGGCGGGTTGGGTTTTTT-SH-3’ (SEQ ID NO:1)；

Helper1: 5’-CCTACCCTTTGTTCTTTG-3’ (SEQ ID NO:2) ；

Helper2: 5’-CTTTGTTCTTTGCTGAGG-3’ (SEQ ID NO:3) 。

其中Helper1与Helper2中画横线部分的T之间可特异性结合汞离子，从而形成“T-Hg²⁺-T”结构。

HAP的3’端修饰有巯基（-SH），可以与金电极形成稳定的Au-S键，从而将HAP固定在电极表面；序列中有富含鸟嘌呤G的DNA序列即血红素hemin的适配体，它在被暴露的情况下可以和hemin特异性的形成G-四联体结构，在钾离子和双氧水的存在下，发生氧化还原反应，我们就是通过检测该氧化还原信号来达到定量的检测目标物的目的。

本发明中只用到了一种酶：核酸限制性内切酶Nt. BbvCI，可以识别特定的双链序列。

本发明中汞离子的检测是在电极上实现的，通过目标循环的方式来实现信号的增大，从而实现汞离子的高灵敏检测，并获得较低的检测下限。

均相中发生的反应主要有：在有目标物存在的情况下，Helpe1与Helper2 中T之间会由目标物连接形成“T-Hg²⁺-T”结构，而Helper1与Helper2未结合的部分会与固定在电极表面的HAP的环部通过碱基互补配对进行结合，形成Y型结构，在限制性内切酶Nt. BbvCI的作用下，HAP被切割，暴露出hemin的适配体序列，并释放目标物Hg²⁺同Helper1及Helper2结合在一起的复合物部分同未参与反应的HAP形成新的Y型结构，实现目标循环放大信号。加入hemin后，暴露出来的适配体形成G-四联体，在K⁺和双氧水存在的情况下，产生氧化还原信号。

在均相反应中，放大的反应条件均为37℃，反应时间是2h。

一种基于核酸适配体检测汞离子的生物传感器，在电极上依次修饰有HAP层和Helper层；

HAP层中HAP为5’-CCCAACTTTCCTCAGCTTGGGTAGGGCGGGTTGGGTTTTTT-SH-3’

Helper层中含有Helper1、Helper2、Hg²⁺、Nt. BbvCI、

Helper1: 5’-CCTACCCTTTGTTCTTTG-3’ ，

Helper2: 5’-CTTTGTTCTTTGCTGAGG-3’；

所述的生物传感器， HAP层的厚度为15±2nm、Helper层的厚度约为10±2nm。

所述的生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）对电极进行预处理；

（2）将HAP层修饰到电极表面；

（3）将Helper层修饰到电极表面。

所述的制备方法，优选将HAP层修饰到电极表面的操作步骤如下：将10μM的HAP滴加10μL到经过预处理的电极表面，在37℃下孵育2h。

所述的制备方法，优选将Helper层修饰到电极表面的操作步骤如下：

（1）将灭菌水，1X的buffer缓冲液、Helper1、Helper2、核酸限制性内切酶Nt.BbvCI和待测目标物加入离心管中，震荡30s，放入37℃的恒温箱中孵育2h；

（2）将孵育好的混合溶液滴加到修饰好HAP层的电极上，将电极继续放在37℃的恒温箱中孵育2h，清洗。

所述的制备方法，优选对电极进行预处理操作为电极在0.3和0.05 µm的氧化铝浆中进行抛光处理，直到呈镜面，用PBS和二次水冲洗。

所述的制备方法，优选所述电极为金电极。

该发明的检测方式是电化学检测，利用传统的三电极体系。Ag/AgCl为参比电极，铂丝为对电极，修饰的金电极为工作电极。在检测之前，先通过Au-S键将HAP固定到电极表面。将反应后的均相溶液修饰到电极表面，然后37℃孵育2h使均相中的Helper1及Helper2未结合部分与电极表面的HAP完成杂交反应，并由核酸限制性内切酶Nt. BbvCI完成对其的切割。暴露出的hemin适配体在加入hemin后形成G-四联体，在K⁺和双氧水存在的情况下产生氧化还原信号，用三电极工作体系检测氧化还原峰。以Ag/AgCl为参比电极，以Pt电极为对电极，电位设置为0到-0.5 V，脉冲宽度0.05V，扫描速率为0.06 S，采用差分脉冲伏安技术读取氧化还原信号的变化，检测待测目标物。

本发明基于核酸适配体特异性识别hemin形成G-四联体结构，目标物与核酸形成“T-Hg²⁺-T”结构，核酸限制性内切酶在特异性位点对核酸双链的切割作用以及G-四联体氧化还原特性构建了适配体电化学生物传感器。该传感器具有检测速度快，检测限低，特异性高等优点，可以弥补汞离子现有检测方法的缺陷与不足，实现对其快速，准确的定量检测。

本发明的有益效果：

1、利用了核酸适配体的特异型识别，利用汞离子的适体作为识别物质实现了对目标物汞离子的高特异性检测；

2、利用核酸限制性内切酶的切割作用，实现了目标物的循环利用，起到了信号增大的作用；

3、利用核酸适配体的特异性识别，在加入hemin后形成G-四联体结构，在K⁺和双氧水存在的情况下产生氧化还原信号；

4、该传感器的反应条件温和，反应速度快；

5、由于使用金电极，其电极简便、小型化、易携带、可多次使用；

6、检测原理的主要过程均是在电极上实现的，提高了反应速度，降低了操作的复杂程度，实现了目标物的快速，简单，灵敏的检测；

7、制备方法简单，性能稳定，电极的重复性好，适用于食品安全中汞离子的检测和生物传感器产业化的实际应用；

8、制作电极的工艺成本低，适用于产业化中价廉的要求。

附图说明

图1为电化学传感器的检测原理图；

图2为实施例1Helper1优化检测结果图；

图3为实施例2Helper2优化检测结果图；

图4为实施例3HAP优化检测结果图；

图5为实施例4目标物工作曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

电极修饰过程的主要步骤如下：

a、金电极首先在0.3和0.05 µm的氧化铝浆中进行抛光处理，直到呈镜面，用PBS和二次水反复冲洗；

b、将10μL的HAP（10μM）滴加到电极表面，在室温下（37℃）孵育2h。通过Au-S键将巯基链固定到电极表面；

至此电极的修饰过程先告一段落，下面介绍一下均相溶液中发生的反应，均相反应中的主要步骤：

a、将灭菌水，1X的缓冲液（buffer），1μL Helper1（浓度分别为1μM，2μM，5μM，10μM，20μM），1μL Helper2，限制性核酸内切酶Nt. BbvCI（1μL）和目标物加入到预先准备好的灭菌的离心管中。震荡30s，然后将混匀的混合液放入37℃的恒温箱中孵育2h；

b、将a步反应后的溶液滴加到预先修饰好HAP的电极上。然后将电极继续放在37℃的恒温箱中孵育2h；

c、用磁力搅拌器在PBS溶液中清洗电极，每次10min，共清洗3次。

以Ag/AgCl为参比电极，以Pt电极为对电极，电位设置为0到-0.5 V，脉冲宽度0.05V，扫描速率0.06 s，采用差分脉冲伏安技术读取氧化还原电信号的变化，检测目标物。

结果见图2，从图中可以看出，检测到的电流信号随着Helper1的浓度在0-10μM区间内增大而增大，当浓度超过10μM后，电流趋于稳定。所以Helper1的最佳浓度为10μM。

上述过程中用到的溶液的制备方法：

1、PBS缓冲液是由方法配制：Na₂HPO₄ (10mM)，NaH₂PO₄(10mM), NaCl (140mM),KCl (1mM), MgCl₂(1mM), CaCl₂(1mM), 最终溶液的pH值为7.4。

1X的缓冲液（buffer）是随核酸限制性内切酶Nt. BbvCI一起买来的，可直接使用。

2、配置的PBS缓冲液与超纯水均需进行高温灭菌处理。具体方法是，将PBS和超纯水分别放置在不同的锥形瓶中，然后用锡箔纸和报纸进行封口。在高压灭菌锅中在120 ℃的温度下灭菌20 min。

实施例2

一种本发明所述电化学生物传感器的制备方法：

电极修饰过程的主要步骤如下：

b、将10μL的HAP（10μM）滴加到电极表面，在室温下孵育2h。通过Au-S键将巯基链固定到电极表面；

a、将灭菌水，1X的缓冲液（buffer），1μL Helper1，1μL不同浓度的Helper2（浓度分别是1μM，2μM，5μM，10μM，20μM），限制性核酸内切酶Nt. BbvCI（1μL）和目标物加入到预先准备好的灭菌的离心管中，震荡30s，然后将混匀的混合液放入37℃的恒温箱中孵育2h；

以Ag/AgCl为参比电极，以Pt电极为对电极，电位设置为0到-0.5 V，脉冲宽度0.05V，扫描速率为0.06 s，采用差分脉冲伏安技术读取氧化还原电信号的变化，检测目标物。

结果见图3，从图中可以看出，检测到的电流信号随着Helper2的浓度在0-10μM区间内增大而增大，当浓度超过10μM后，电流趋于稳定。所以Helper2的最佳浓度为10μM。

实施例3

一种本发明所述电化学生物传感器的制备方法：

b、将10μL的不同浓度的HAP（1μM，2μM，5μM，10μM，20μM）滴加到电极表面，在室温下孵育2h。通过Au-S键将巯基链固定到电极表面；

a、将灭菌水，1X的缓冲液（buffer），Helper1（10μM）、Helper2（10μM），限制性核酸内切酶Nt. BbvCI（1μL）和目标物加入到预先准备好的灭菌的离心管中。震荡30s，然后将混匀的混合液放入37℃的恒温箱中孵育2h；

结果见图4，从图中可以看出，检测到的电流信号随着HAP的浓度在0-10μM区间内增大而增大，当浓度超过10μM后，电流趋于稳定。所以HAP的最佳浓度为10μM。

实施例4

一种本发明所述电化学生物传感器的制备方法：

a、将灭菌水，1X的缓冲液（buffer），1μL Helper1（10μM）、1μL Helper2（10μM），限制性核酸内切酶Nt. BbvCI（1μL）和1μL不同浓度的目标物（0nM，10nM，50nM，100nM，500nM，1μM，5μM，10μM，）加入到预先准备好的灭菌的离心管中。震荡30s，然后将混匀的混合液放入37℃的恒温箱中孵育2h；

检测结果如图5所示，图中我们可以看到，在汞离子的浓度在10nM 到10 μM时，汞离子浓度的对数与氧化还原信号的大小成正比关系，拟合曲线：A = 0.921*logC -0.1789（A是氧化还原信号，C是汞离子的浓度），同时，我们在10nM的浓度基础上继续向更低的浓度检测，经检测当浓度低于10nM时，氧化还原信号与浓度的关系恰好不再符合拟合曲线规律，即图中的峰值的最低点。因此可得到该方法的检测下限为10nM。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受实施例的限制，其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、替代、简化均应为等效替换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

<110>济南大学

<120>一种基于核酸适配体检测氨苄青霉素的方法

<160>2

<210>1

<211>41

<212>DNA

<213>人工序列

<220>

<221>misc_feature

<222>(1)..(41)

<223>引物

<400>1

CCC AAC TTT CCT CAG CTT GGG TAG GGC GGG 30

TTG GGT TTT TT 41

<210>2

<211>18

<212>DNA

<213>人工序列

<220>

<221>misc_feature

<222>(1)..(18)

<223>引物

<400>2

CCT ACC CTT TGT TCT TTG 18

<210> 3

<211> 18

<212> DNA

<213> 人工序列

<220>

<221>misc_feature

<222>(1)..(18)

<223>引物

<400> 3

CTT TGT TCT TTG CTG AGG 18

Claims

1.一种基于核酸适配体检测汞离子的电化学传感器，其特征在于，其包括电极，所述电极上依次修饰有HAP层和Helper层；

所述的HAP层中HAP的核苷酸序列如SEQ ID NO:1所示；

所述的Helper层中含有Helper1、Helper2、Hg²⁺、Nt . BbvCI；

所述Helper1的核苷酸序列如SEQ ID NO:2所示；

所述Helper2的核苷酸序列如SEQ ID NO:3所示。

2.根据权利要求1所述的电化学传感器， HAP层的厚度为15±2nm、Helper层的厚度为10±2nm。

3.一种权利要求1或2所述的电化学传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对电极进行预处理；

（2）将HAP修饰到电极表面形成HAP层；

（3）将Helper1和Helper2修饰到电极表面形成Helper层；

所述HAP的核苷酸序列如SEQ ID NO:1所示；

所述Helper1的核苷酸序列如SEQ ID NO:2所示；

所述Helper2的核苷酸序列如SEQ ID NO:3所示。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）具体操作步骤如下：将10μM的HAP滴加10μL到经过预处理的电极表面，在37℃下孵育2h。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）操作步骤如下：

① 将灭菌水，1X的buffer缓冲液、1μL 10μM 的Helper1、1μL 10μM 的Helper2、1μL核酸限制性内切酶Nt. BbvCI和1μL待测目标物加入离心管中，震荡30s，放入37℃的恒温箱中孵育2h；

② 将孵育好的混合溶液滴加到修饰好HAP层的电极上，将电极继续放在37℃的恒温箱中孵育2h，清洗。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）对电极进行预处理操作为电极在0.3和0.05 µm的氧化铝浆中进行抛光处理，直到呈镜面，用PBS和二次水冲洗。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述电极为金电极。