CN107449759B - 一种汞离子高效检测方法及探针分子和试剂盒 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种汞离子高效检测方法及探针分子和试剂盒,所述探针分子为连接有聚集诱导发光分子的DNA单链序列,探针分子的单链序列能够与该反应液中其它所述探针分子的单链序列配对形成两端平齐的双链序列,且该两端平齐的双链序列中错配的碱基均为胸腺嘧啶,而T‑Hg2+‑T结构具有很好的稳定性。DSN酶能特异性识别且消化双链DNA序列,因此,释放出聚集诱导发光分子和汞离子,而大量聚集诱导发光分子的聚集引起强烈的荧光信号发射,实现了快速、高灵敏度的汞离子检测方法。该体系操作简单,耗时短,且不需要复杂的样品前处理过程,适用于溶液和细胞内汞离子的检测。
Description
技术领域
本发明设计一种高效的汞离子检测方法,在DSN酶诱导的循环放大检测条件下,完成了汞离子的高灵敏度检测。
背景技术
重金属(金属元素,密度相对较高)对环境有着极其有害的影响,即使在低浓度的环境下也发挥着重要的作用。汞离子是对人类健康和环境有着超强毒性的重金属离子之一。其化合物对人体健康存在多种危害,若存在于天然水体中,则会对大范围的人群造成威胁。它能够在生物体内累积,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、肝脏和甲状腺疾病,引起神经系统紊乱,慢性汞中毒,甚至引发恶性肿瘤的形成。
基于汞离子的危害性,目前也已经发展了多种传统的检测方法,其中包括有光谱、色谱、电化学方法等等。这些方法能得到很好的准确度和灵敏度等,但也需要有复杂的样品前处理过程或者是昂贵的精密仪器。因此,设计一种简单且易操作的汞离子检测方法对于实际应用具有重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汞离子的高效检测方法,并将其应用于溶液和细胞中汞离子的检测。本发明以AIE分子标记的核酸分子探针为原料,不需要淬灭基团的存在,即可完成荧光信号的变化过程。整个实验过程不需要复杂的实验操作,灵敏度高,而且还可完成对溶液和细胞中汞离子的检测,实际应用性很强。
本发明的基本原理为:首先,合成检测汞离子的探针,探针为末端修饰有聚集诱导发光分子AIE的DNA单链序列,该探针溶于水相缓冲溶液。探针分子的单链序列能与该反应液中其它探针分子的单链序列的碱基通过A与T、C与G两两配对形成两端平齐的双链序列,且该两端平齐的双链中错配的碱基均为胸腺嘧啶。向含有DNA序列的缓冲溶液中加入汞离子溶液后,由于胸腺嘧啶与汞离子具有强烈的配位作用,能够形成稳定的T-Hg2+-T结构,因此,该DNA序列通过T-Hg2+-T结构形成自身互补的双链结构。双链DNA两端修饰的AIE分子由于距离的接近而发出荧光信号。继续向该体系中加入DSN酶,该酶能够特异性识别和消化双链DNA结构,因此释放出大量的AIE分子和汞离子,汞离子继续进入到下一次反应中,而大量AIE分子的聚集能够发出强烈的荧光信号,如此便实现了检测汞离子的目的。由于该体系简单且易操作,因此可以将该体系应用于溶液和细胞内汞离子的检测。
根据本发明的一个方面,提供了一种汞离子的检测方法,包括以下步骤:
(1)将待测溶液和探针分子加入到pH为6~8的DSN酶缓冲液中形成反应液;所述探针分子均为末端修饰有聚集诱导发光分子的DNA单链序列,至少一个所述探针分子的单链序列能够与该反应液中其它所述探针分子的单链序列配对形成两端平齐的双链序列,且该两端平齐的双链序列中错配的碱基均为胸腺嘧啶;
(2)将DSN酶加入到步骤(1)的反应液中,在50~70℃条件下充分反应后,检测缓冲液的荧光强度,根据荧光强度得到所述待测溶液中汞离子的浓度。
优选地,所述探针分子的结构式如式Ⅰ所示:
优选地,所述探针分子在缓冲液中的浓度为10-15μmol/L;所述步骤(2)的反应时间为10~20分钟;所述步骤(2)中检测缓冲液的荧光强度的发射波长为400~600nm。
优选地,对所述待测溶液中汞离子的最低检测限为10fM。
根据本发明的另一个方面,提供了一种细胞内汞离子的检测方法,包含以下步骤:
(1)细胞培养:将细胞悬浮液置于共聚焦皿中培养,待细胞贴壁后,弃去上层溶液并用缓冲液清洗后,加入Opti-MEM培养基后放入50-70℃的培养箱中孵育1~3小时后,弃去上层培养基并清洗得到带转染的细胞;
(2)将探针分子、DSN酶与脂质体混匀后冲打50次,放置10分钟,再加入培养基形成转染体系,将上述体系转染进入步骤(1)得到的待转染细胞中;将上述加入了转染体系的待转染细胞置于35-38℃的细胞培养箱中孵育0.5-1小时后取出,弃掉上层溶液并用缓冲液清洗干净,最后用于激光共聚焦的成像操作,根据荧光强度得到细胞内汞离子的检测结果。
其中,所述探针分子均为末端修饰有聚集诱导发光分子的DNA单链序列,至少一个所述探针分子的单链序列能够与该转染体系中其它所述探针分子的单链序列配对形成两端平齐的双链序列,且该两端平齐的双链序列中错配的碱基均为胸腺嘧啶。
优选地,所述探针分子的结构式如式Ⅰ所示:
优选地,所述探针分子在转染体系中的浓度为10-15微摩尔;所述步骤(2)的反应时间为10~20分钟;所述步骤(2)中检测缓冲液的荧光强度的发射波长为400~600nm。
根据本发明的另一方面,提供了一种检测汞离子的探针分子,所述探针分子的结构式如式Ⅰ所示:
根据本发明的另一方面,提供了一种包含上述探针分子的试剂盒,用于检测溶液中或细胞中的汞离子。
优选地,该试剂盒还包括DSN酶以及DSN酶缓冲液。
本发明与现有技术相比,具有如下有益效果:
(1)序列设计巧妙,通过设计可以自身互补的单链DNA分子,该分子在汞离子存在的情况下可以形成杂交结构。因此,仅仅需要一种DNA序列即可完成检测。
(2)设计循环放大反应,由于DSN酶能够特异性识别双链DNA分子且将其消化,因此释放出汞离子进入到下一次的反应中。如此便大大提高了检测的灵敏度,对所述待测溶液中汞离子的最低检测限为10fM。
(3)在DNA上修饰聚集诱导发光分子作为荧光信号源,简化了探针的设计,不需要有淬灭基团的存在。
(4)反应时间短,由于DSN酶比较灵敏,因此反应时间快,整个过程仅仅需要10分钟即可完成。
附图说明
图1为检测汞离子的原理图。
图2为仅仅向探针溶液中加入汞离子的荧光变化曲线。
图3为向探针溶液中加入汞离子和DSN酶后的荧光变化曲线。
图4为不同浓度汞离子的荧光图谱和相应的荧光强度曲线。
图5为细胞内汞离子的检测结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。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。
实施例1
以检测缓冲溶液中的汞离子并构建汞离子浓度标准曲线为例,来进一步说明本发明。
步骤一:配置50微升的反应体系,其中包括有1倍的DSN反应缓冲溶液,15毫摩尔镁离子,10毫摩尔AIE核酸探针,5单元的DSN酶,以及不同浓度(10fM,100fM,1pM,10pM,100pM,1nM,10nM,100nM)的汞离子溶液。将上述混合溶液放在60℃的水浴锅中孵育20分钟后拿出进行荧光检测。
步骤二:对比加入DSN酶前后的荧光变化,取汞离子浓度为100nM为例。分别配置50微升的反应体系,其中包括有1倍的DSN酶反应缓冲溶液,15毫摩尔镁离子,10毫摩尔AIE核酸探针,100nM的汞离子溶液;以及50微升的反应体系,其中包括有1倍的DSN酶反应缓冲溶液,15毫摩尔镁离子,10毫摩尔AIE核酸探针,100nM的汞离子溶液,5单元的DSN酶。将上述两种反应混合液放在60摄氏度的水浴锅中孵育20分钟后拿出进行荧光检测。
步骤三:荧光检测。将样品放入50微升的石英比色皿中,设置参数为:激发波长360nm,发射波长400-600nm,狭缝宽10nm,检测电压600V。参数设置好后,收集图谱。图2为核酸探针溶液中加入汞离子后的荧光图谱。图3为核酸探针溶液中加入汞离子以及DSN酶后的荧光图谱。图4为汞离子的检测浓度曲线。从图2图3可以看出,加入DSN酶后,反应的荧光信号变化增加了近10倍。从图4可以看出,汞离子的最低检测浓度可达到10fM。
实施例2
以检测溶液中汞离子的浓度为例,来进一步说明本发明。
步骤一:环境水样标本的采集。用50ml离心管分别收集实验室中的自来水、武汉长江水以及东湖水源。将上述水源放置一段时间后,取上清液用于实验。
步骤二:配置50微升的反应体系,其中包括有1×DSN反应缓冲溶液,15毫摩尔镁离子,10毫摩尔AIE核酸探针,5单元的DSN酶,以及分别取5微升的上述环境水样。将上述混合溶液放在60摄氏度的水浴锅中孵育20分钟后拿出进行荧光检测。荧光参数设置同实施例1。
步骤三:分别向三种原始水样中加入0.1nM、1nM的标准汞离子溶液,将溶液混合均匀后,再次对其进行检测。检测过程同步骤二的操作。将检测结果统计如下表所示。从表中数据可知,该方法能够得到可靠的加标回收率。
表1.使用该循环放大策略检测水样中Hg2+的含量
amean代表三次测量平均值,SDb代表标准偏差,n代表没有检测到Hg2+的存在
实施例3
以检测细胞中汞离子的浓度为例,来进一步说明本发明。本实验所用的Hela细胞购于湖南省的湘雅实验中心。
步骤一:取1mL浓度约为2×104mL-1的Hela细胞悬浮液置于20mm的共聚焦皿中,24小时待细胞贴壁后,弃去上层溶液并用PBS缓冲液清洗三次后加入含有10微摩尔汞离子的无血清的Opti-MEM培养基,将细胞放入培养箱中孵育2小时后拿出弃去上层培养基并清洗干净,将探针和DSN酶与脂质体混匀后并冲打50次,放置10分钟后加入培养基。将上述转载溶液转载进入细胞,将上述体系放入细胞培养箱中孵育1小时后取出,弃掉上层溶液并用PBS缓冲液清洗干净,最后用于激光共聚焦的成像操作。
步骤二:进行对照实验。首先,为了直接检测细胞内的汞离子含量,将步骤一中加入汞离子的操作去掉,即加入不带汞离子的无血清Opti-MEM培养基,其它操作步骤一样。其次,为了对照DSN酶的重要性,将步骤一中加入的DSN酶去掉,其它操作步骤一样。
步骤三:激光共聚焦成像。使用100倍的目镜进行观察,并在镜头上滴上油滴。将共聚焦皿放在显微镜头下,设置共聚焦参数,激发波长为405nm,收集500-600nm波段的发射波长。调试界面,收集成像图片。实验结果如图5所示,从荧光成像图上可以看出,直接检测细胞内汞离子的含量,没有检测到明显的荧光信号,将细胞与汞离子溶液孵育一段时间后,将细胞清洗干净后再次测量,能观察到明显的荧光信号。说明该方法能够应用于细胞内汞离子的检测。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
2.如权利要求1所述的汞离子的检测方法,其特征在于,所述探针分子在缓冲液中的浓度为10-15μmol/L;所述步骤(2)的反应时间为10~20分钟;所述步骤(2)中检测缓冲液的荧光强度所用的发射波长为400~600nm。
3.如权利要求1所述的汞离子的检测方法,其特征在于,对所述待测溶液中汞离子的最低检测限为10fmol/L。
4.一种细胞内汞离子的检测方法,其特征在于,包含以下步骤:
(1)细胞培养:将细胞悬浮液置于共聚焦皿中培养,待细胞贴壁后,弃去上层溶液并用缓冲液清洗后,加入Opti-MEM培养基后放入35-38℃的培养箱中孵育1~3小时后,弃去上层培养基并清洗得到待转染的细胞;
(2)将探针分子、DSN酶和脂质体充分混匀,静置后加入培养基中得到转染体系,将上述转染体系加入到步骤(1)得到的待转染细胞中;然后,将上述加入了转染体系的待转染细胞置于35-38℃的细胞培养箱中孵育0.5-1小时后取出,弃掉上层溶液并用缓冲液清洗干净后激光共聚焦成像,根据荧光强度得到细胞内汞离子的检测结果;
其中,所述探针分子均为末端修饰有聚集诱导发光分子的DNA单链序列,至少一个所述探针分子的单链序列能够与该转染体系中其它所述探针分子的单链序列配对形成两端平齐的双链序列,且该两端平齐的双链序列中错配的碱基均为胸腺嘧啶;所述探针分子的结构式如式Ⅰ所示:
5.如权利要求4所述的汞离子的检测方法,其特征在于,所述探针分子在转染体系中的浓度为10-15μmol/L;所述步骤(2)的反应时间为10~20分钟;所述步骤(2)中检测缓冲液的荧光强度所用的发射波长为400~600nm。
7.一种包含权利要求6所述探针分子的试剂盒,其特征在于,用于检测溶液中或细胞中的汞离子。
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