CN107505367B - 用于铅离子检测的dna四面体探针及检测铅离子的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于铅离子检测的DNA四面体探针及检测铅离子的方法。其由单链探针Tetra‑A、单链探针Tetra‑B、单链探针Tetra‑C和单链探针Tetra‑D组成；所述单链探针Tetra‑A的3’端含有结构域A，其与铅离子依赖的脱氧核酶探针互补。所述的方法既具有DNA四面体探针电化学检测法操作简单，不需要昂贵的仪器的优势，又体现了铅离子依赖的脱氧核酶探针对铅离子特异性高的特点。对铅离子的检测范围为10pM～1000nM，实施简便，结果可靠，能对自来水或池塘水等各种来源的水直接进行检测。

Description

用于铅离子检测的DNA四面体探针及检测铅离子的方法
技术领域
本发明属于电化学检测领域，具体地涉及一种用于铅离子检测的DNA四面体探针及检测铅离子的方法。
背景技术
DNA三维纳米结构探针DNA tetrahedral-structured probe(TSP)，其具有与金电极相连的三个巯基基底顶点和一个悬垂的捕获探针顶点。研究发现，应用TSP结构的电化学传感器在检测可卡因[Anal.Chem.，2011，83(19):7418-7423.]和microRNA[Anal.Chem.，2014，86(5):2285-2288.]时能较好的解决表面拥挤效应等问题。
由于铅在燃料、建筑材料、涂料、油漆及工业加工中的广泛应用，所以铅在环境包括土壤、水、甚至食物链中普遍存在。铅的污染向来是一个很严重的环境问题。以铅离子为代表的无机污染物一旦进入环境后，不会像有机污染物那样在环境中被快速分解，它们可能长期残留于环境中，产生经久不衰的污染。而进入人体的铅离子对人体的健康也存在着巨大危害，当人体内铅含量超过一定水平时，将严重影响人们的身体健康，特别是儿童的健康。
目前传统的铅离子检测技术：原子吸收光谱、高效液相色谱、毛细管电泳、双硫腙比色法、X射线荧光技术、中子活化分析或电感耦合等离子体质谱分析法等，尽管能够得到检测结果，但这些技术往往要依赖大型仪器设备、耗费耗时、需进行样品预处理，检测成本高，并且其中有些方法还需要用到有毒试剂，难以被分析人员接受。
脱氧核酶(DNAzyme)是一种体外筛选的具有类似酶活性的DNA分子。由于脱氧核酶在发挥催化活性的时候往往都依赖于辅助因子的参与，许多脱氧核酶都以金属离子作为辅助因子，并且对金属离子具有很强的选择性，因此脱氧核酶常被用于金属离子的检测。Lu等人已经开发了一系列基于Pb2+依赖DNAzyme的荧光和比色传感器[Journal of theAmerican Chemical Society,2003,125(22):6642-6643,Chemical reviews,2009,109(5):1948-1998]。Wen等研究人员也开发了基于DNAzyme和氧化石墨烯的铅离子荧光检测传感器[Chemical Communications，2011,47(22):6278-6280]。这些检测方法和传统的Pb2+检测方法相比，具有灵敏度高，价格低廉的优势，但是这类方法往往需要进行DNA标记，操作相对繁琐，检测也要有大型仪器的支撑。
因此，亟需更灵敏、简便、低成本、准确快速地检测铅离子的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中缺乏灵敏、简便、准确、快速地检测铅离子的方法的缺陷，提供了一种用于铅离子检测的DNA四面体探针及检测铅离子的方法。该检测方法的检测灵敏度可以至10pM，灵敏度高、操作简便、对铅离子有良好的特异性。
本发明人经过深入的研究和反复的试验，开发了一种简单灵敏的电化学检测Pb2+的方法，将G-四联合体DNA与Pb2+依赖的DNAzyme结合形成一条长链的DNA单链并且与其他三条DNA单链组装形成一个特殊的DNA纳米结构探针。当存在Pb2+时，由于DNAzyme的切割作用形成G-四联合体，然后络合血红素(hemin)获得类似辣根过氧化物酶的活性从而可以催化过氧化氢产生电化学信号。具体而言，本发明人发现通过特殊调整DNA四面体纳米结构捕获探针中Tetra-A(即悬挂单链DNA)的核苷酸序列，使Tetra-A能够既与铅离子依赖的脱氧核酶探针(Pb-DNAzyme)进行特异性杂交，又能用于形成G四联合体，还可与其他三条DNA单链组装形成四面体结构。从而首次结合了DNA四面体纳米结构捕获探针法与铅离子依赖的脱氧核酶探针检测铅离子法，提供一种应用于铅离子电化学检测的全新、有效的方法
本发明提供的技术方案之一是：一种用于铅离子检测的DNA四面体探针，其由单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D组成，所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D都含有三个结构域，且每个所述结构域分别与所述其他三条单链探针的结构域互补；所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D分别围绕一圈形成所述DNA四面体基座的一个面，并在所述DNA四面体基座的顶点处有两个非互补的起弯折作用的碱基；所述单链探针Tetra-A的3’端还含有结构域A，所述结构域A与铅离子依赖的脱氧核酶探针互补。
较佳地，所述结构域A的核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.6所示。
较佳地，所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D的核苷酸序列分别如序列表中SEQ ID No.1、SEQ ID No.2、SEQ ID No.3和SEQ IDNo.4所示。
本发明提供的技术方案之二是：一种使用上述DNA四面体纳米结构捕获探针检测铅离子的方法，所述的方法包括以下的步骤：
(1)、通过DNA纳米自组装技术的一步法合成方法制得DNA四面体基座；所述的一步法合成方法是将单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D配制成探针溶液，在93～97℃加热2～5min后，冷却至2～5℃持续30秒而得所述DNA四面体基座；所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D都含有三个结构域，且每个所述结构域分别与所述其他三条单链探针的结构域互补；所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D分别围绕一圈形成所述DNA四面体基座的一个面，并在所述DNA四面体基座的顶点处有两个非互补的起空间距离控制作用的碱基；所述单链探针Tetra-A的3’端还含有结构域A，所述结构域A与铅离子依赖的脱氧核酶探针互补；
(2)、在电化学装置的工作电极的表面添加步骤(1)所得的DNA四面体基座，使所述DNA四面体基座的三个顶点自组装连接到所述的工作电极的表面，另一个顶点延伸出所述结构域A，得到表面组装DNA四面体基座的工作电极；
(3)、将待检测样品溶液与铅离子依赖的脱氧核酶探针与步骤(2)所得的工作电极反应，55～65℃变性4～6分钟，15～25℃冷却10～20分钟，再25～30℃杂交1～2小时，即获得带G-四联合体的工作电极；
(4)、将过氧化氢和血红素加入到缓冲溶液中进行混合，然后将步骤(3)所得的带G-四联合体的工作电极浸入上述混合溶液中，进行过氧化氢分解的氧化还原反应，产生电化学氧化还原信号，进行电化学检测分析。
本发明步骤(1)为：通过DNA纳米自组装技术的一步法合成方法制得DNA四面体基座；所述的一步法合成方法是将单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D配制成探针溶液，在93～97℃加热2～5min后，冷却至2～5℃持续30秒而得所述DNA四面体基座；所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D都含有三个结构域，且每个所述结构域分别与所述其他三条单链探针的结构域互补；所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D分别围绕一圈形成所述DNA四面体基座的一个面，并在所述DNA四面体基座的顶点处有两个非互补的起空间距离控制作用的碱基；所述单链探针Tetra-A的3’端还含有结构域A，所述结构域A与铅离子依赖的脱氧核酶探针互补。其中，DNA四面体基座的一步法合成方法为本领域常规的方法，较佳地，所述一步法合成通过以下步骤实现：取所述1μM单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D的溶液各1μL以及30mM的三(2-羧乙基)膦(TCEP)1μL和45μL TM缓冲溶液A混合均匀，然后95℃加热2min，迅速降温到4℃，4℃持续30秒以上，即得终浓度为1μM的所述DNA四面体基座。所述TM缓冲溶液A包括20mM Tris，50mM MgCl2，调节至pH8.0。所述步骤(1)中单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D用本领域常规的缓冲液配制。较佳地，所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D用Millipore超纯水配制。更佳地，所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D的摩尔浓度比为本领域常规的摩尔浓度比，较佳地，所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D的摩尔浓度比为1:1:1:1；更佳地，单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D的摩尔浓度都为50μM。所述一步法合成的加热和降温的条件为本领域常规的条件，较佳地，所述一步法合成使用控温仪控制95℃加热2分钟，迅速降温到4℃，持续30秒以上；更佳地，所述的一步法合成TSP探针使用PCR仪。
较佳地，所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D每个所述结构域分别与所述其他三条单链探针的结构域互补。较佳地，所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D的核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.1、SEQ ID No.2、SEQ ID No.3和SEQ ID No.4所示。较佳地，所述结构域A的核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.6所示。
本发明步骤(2)为：在电化学装置的工作电极的表面添加步骤(1)所得的DNA四面体基座，使所述DNA四面体基座的三个顶点自组装连接到所述的工作电极的表面，另一个顶点延伸出所述结构域A，得到表面组装DNA四面体基座的工作电极。其中，步骤(2)中所述的电化学装置为本领域常规的电化学装置，较佳地，电化学装置是金盘工作电极(购自上海辰华，货号CHI101)。步骤(2)中所述的电化学装置与所述的DNA四面体结构探针的连接的方法和条件为本领域常规，较佳地，步骤(2)中所述的DNA四面体结构探针的三个顶点连接到所述电化学装置的工作电极表面，可以通过共价自组装连接；更佳地，使用所述DNA四面体探针的三个顶点的巯基和金电极表面通过金硫键连接。较佳地，步骤(2)中，将3μL的1μΜ含所述DNA四面体基座的溶液滴加到金电极表面4℃～25℃条件下反应过夜。
本发明步骤(3)为：将待检测样品溶液与铅离子依赖的脱氧核酶探针与步骤(2)所得的工作电极反应，55～65℃变性4～6分钟，15～25℃冷却10～20分钟，再25～30℃杂交1～2小时，即获得带G-四联合体的工作电极。其中，所述铅离子依赖的脱氧核酶探针与所述结构域A互补。较佳地，所述铅离子依赖的脱氧核酶探针的核苷酸序列如序列表中SEQ IDNo.5所示。较佳地，所述变性的温度为60℃。较佳地，所述变性的时间为5分钟。较佳地，所述冷却的温度为20℃。较佳地，所述冷却的时间为20分钟。较佳地，所述杂交的温度为25℃。较佳地，所述杂交的时间为2小时。较佳地，所述待检测样品溶液与铅离子依赖的脱氧核酶探针在HEPES缓冲溶液B中混合，所述HEPES缓冲溶液B为含有1M NaNO3和20mM MgCl2的10mMHEPES，调节至pH7.0。更佳地，所述混合的温度为20～25℃；所述混合的时间为1～2分钟。
本发明步骤(4)为：将过氧化氢和血红素加入到缓冲溶液中进行混合，然后将步骤(3)所得的带G-四联合体的工作电极浸入上述混合溶液中，进行过氧化氢分解的氧化还原反应，产生电化学氧化还原信号，进行电化学检测分析。其中，所述过氧化氢和血红素的摩尔浓度比为本领域常规的摩尔浓度比，较佳地为1000:1。更佳地，所述过氧化氢的摩尔浓度为1mM。更佳地，所述血红素的摩尔浓度为1μM。较佳地，所述混合在HEPES缓冲溶液C中进行，所述HEPES缓冲溶液C为含有50mM NaNO3和100mM KCl的10mM HEPES缓冲溶液，pH为7.0。所述的电化学检测分析为本领域常规的电化学检测分析方法，较佳的是循环伏安法测得氧化还原电流法。
采用所述的方法进行电化学检测后，根据测得的电流的值的大小，可以根据图5所示的电流曲线图，拟合出曲线相应的铅离子数目与电流大小值之间的数学公式(公式电流I-铅离子数目N)，一般而言，待测样品中铅离子数目N越大，相应的，测得的电流I的值越大。因此对于电化学生物传感器而言，只要确定了电信号与铅离子数目之间的关系，就可以通过电信号来确定出待测样品中的铅离子数目。本发明中，N＝a*I^b，其中，a＝841.028，b＝0.125。
较佳地，在所述步骤(1)～(4)的任意一步完成后，可以用洗液洗去反应体系中的游离物，所述的洗液为HEPES缓冲溶液。较佳地，所述HEPES缓冲溶液为含有50mM NaNO3，pH7.0的HEPES缓冲溶液。较佳地，所述洗液的洗涤方式是直接持续冲洗30～45秒。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供一种用于铅离子检测的DNA四面体探针及检测铅离子的方法。所述的方法既具有DNA四面体探针电化学检测法操作简单，不需要昂贵的仪器的优势，又体现了铅离子依赖的脱氧核酶探针对铅离子特异性高的特点。在对铅离子的检测中，灵敏度可以低至10pM，远远优于现有技术中其他的检测方法。此外，检测范围广，可检测范围为10pM～1000nM，能够对水尤其是饮用水中的铅离子实施检测。并且，该检测方法实施简便，结果可靠，能对自来水或池塘水等各种来源的水直接进行检测。
附图说明
图1为基于含功能化核酸的DNA四面体纳米结构捕获探针电化学检测铅离子的示意图。
图2为不同的Pb-脱氧核酶探针的切割时间的检测结果。
图3为不同的Pb-脱氧核酶探针杂交温度的检测结果。
图4为不同的Hemin浓度的检测结果。
图5为不同的铅离子浓度的检测结果。
图6为不同的二价金属离子的检测结果。
图7为不同的水检测铅离子浓度的检测结果。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例中所述的室温指常规的操作间的温度，一般为15～30℃。
如序列表中SEQ ID No.1～5所示的单链DNA均由Takara公司合成。
实施例1
(1)取50μM的Tetra-A(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.1所示)、Tetra-B(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.2所示)、Tetra-C(其核苷酸序列如序列表中SEQ IDNo.3所示)和Tetra-D(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.4所示)各1μL，30mM三(2-羧乙基)膦(TCEP)1μL和45μL的TM缓冲溶液(由20mM Tris和50mM MgCl2组成，pH 8.0)混合均匀。95℃加热2分钟后迅速降温到4℃，持续30秒以上，用PCR仪控温。得到终浓度为1μM的含功能化核酸的DNA四面体纳米结构捕获探针。
(2)取金盘工作电极(CHI101，购自上海辰华公司)，用50nm的三氧化二铝粉末进行打磨抛光2min，然后依次用无水乙醇、Milli-Q超纯水超声2min，以氮气吹干残留的水珠，得处理干净的金电极。然后将3μL步骤(1)制得的含功能化核酸的DNA四面体纳米结构捕获探针滴加到处理干净的金电极表面，室温反应过夜组装，得组装DNA四面体纳米结构捕获探针的金电极。
(3)将100nM的铅离子与1μM Pb-脱氧核酶探针(其核苷酸序列如序列表中SEQ IDNo.5所示)在缓冲液A中20℃混合2分钟，调整终体积为100μL，得混合液A。其中缓冲液A为含有1M NaNO3和20mM MgCl2的10mM HEPES缓冲溶液(HEPES缓冲溶液购自Sigma公司)，pH 7.0。接着将步骤(2)制得的组装DNA四面体纳米结构捕获探针的金电极浸入混合液A中。
步骤(1)～(3)如图1所示。
其中，步骤(2)制得了5组组装了DNA四面体纳米结构捕获探针的金电极，将这5组金电极先在60℃下变性5分钟，再室温冷却20分钟，然后在25℃下分别杂交0分钟、30分钟、1小时、2小时和4小时，取出杂交后的金电极，用含有50mM NaNO3，pH7.0的10mM HEPES缓冲溶液直接持续冲洗金电极30秒。Tetra-A(即悬挂单链DNA)通过该杂交过程自身形成了G-四联合体结构，从而得到了含G-四联合体结构的金电极。
(4)将步骤(3)所得的含G-四联合体结构的金电极浸入含有1mM H2O2和1μM Hemin[血红素，购自Frontier Scientific(Logan,UT,USA)]的10mM缓冲液B，然后进行电化学循环伏安法(CV)测试。其中，缓冲液B为含有50mM NaNO3和100mM KCl的10mM HEPES缓冲溶液，pH为7.0。
电化学检测采用上海辰华CHI630D电化学工作站(购自上海辰华)、金盘工作电极、Ag/AgCl参比电极和铂丝对电极。循环伏安法起始电压为0mV，最高电压为0mV，最低电压为-200mV，扫速为10mV/s。
检测杂交时间分别为0分钟、30分钟、1小时、2小时和4小时的金电极所产生的电流信号，结果如表1和图2所示。表1说明，通过对0分钟、30分钟、1小时、2小时和4小时的杂交切割时间进行比较，发现杂交2小时时可以达到稳定的状态，信噪比最高，所以选择了2小时为最佳杂交时间，即最佳切割时间。
表1切割最佳时间的选择
切割时间 0分钟 30分钟 1小时 2小时 4小时
电流(nA) 273 1054 1213 1539 1642
实施例2
(3)将100nM的铅离子与1μM Pb-脱氧核酶探针(其核苷酸序列如序列表中SEQ IDNo.5所示)在缓冲液A中混合，调整终体积为100μL，得混合液A。其中缓冲液A为含有1MNaNO3和20mM MgCl2的10mM HEPES缓冲溶液，pH 7.0。接着将步骤(2)制得的组装DNA四面体纳米结构捕获探针的金电极浸入混合液A中。
其中，步骤(2)制得了3组组装了DNA四面体纳米结构捕获探针的金电极，将这3组金电极先在60℃下变性5分钟，再室温冷却20分钟，然后各自分别在20℃、25℃和37℃的条件下经过2小时杂交，取出杂交后的金电极，用10mM HEPES缓冲溶液冲洗金电极。
其余所有步骤和参数与实施例1完全一致。
检测电流信号，结果如表2和图3所示。表2说明，25℃时，反应的信噪比最高，说明25℃是最适宜的杂交温度。
表2最佳杂交温度的选择
杂交温度 20℃ 25℃ 37℃
信噪比(S/N) 1.21 4.84 2.97
实施例3
(4)将步骤(3)所得的含G-四联合体结构的金电极浸入含有1mM H2O2和Hemin的10mM缓冲液B，然后进行电化学循环伏安法(CV)测试。其中，缓冲液B为含有50mM NaNO3和100mM KCl的10mM HEPES缓冲溶液，pH为7.0。所述Hemin的浓度分别为0.1μM、0.2μM、0.5μM、1μM、2μM和5μM。
其余所有步骤和参数与实施例1完全一致。
检测电流信号，结果如表3和图4所示。表3说明，Hemin的浓度为1μM时可以达到最大的信噪比，因此1μM为最佳的Hemin的反应浓度。
表3Hemin最佳浓度的选择
Hemin浓度 0.1μM 0.2μM 0.5μM 1μM 2μM 5μM
电流(nA) 238.7 415.8 953.2 1142.2 1185.2 1195.2
实施例4
(3)将0nM、0.01nM、0.1nM、1nM、10nM、100nM和1000nM的铅离子分别与1μM Pb-脱氧核酶探针(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.5所示)在缓冲液A中混合，调整终体积为100μL，得混合液A。其中缓冲液A为含有1M NaNO3和20mM MgCl2的10mM HEPES缓冲溶液，pH7.0。接着将步骤(2)制得的组装DNA四面体纳米结构捕获探针的金电极浸入混合液A中。先在60℃下变性5分钟，再室温冷却20分钟，然后经过2小时25℃杂交后，取出该杂交后的金电极，用10mM HEPES缓冲溶液冲洗金电极。Tetra-A通过该杂交过程自身形成了G-四联合体结构，从而得到了含G-四联合体结构的金电极。
其余所有步骤和参数与实施例1完全一致。
检测电流信号，结果如表4和图5所示。表4说明，本发明所述的方法能够在10pM～1000nM的范围内进行铅离子检测，可见该方法的灵敏度达到了10pM。而美国环保局(EPA)制定的对饮用水中的最高铅离子含量的灵敏度为72nM。可见本发明所述的方法可以很好地实现饮用水中铅离子的检测。
表4铅离子最佳浓度的选择
铅离子浓度 0nM 0.01nM 0.1nM 1nM 10nM 100nM 1000nM
电流(nA) 314.8 431.9 617.4 852.9 1110.0 1500.8 1904.8
实施例5
(3)将100nM的Mn2+、Co2+、Ni2+、Ba2+、Cu2+、Mg2+、Zn2+、Ca2+或Pb2+分别与1μM Pb-脱氧核酶探针(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.5所示)在缓冲液A中混合，调整终体积为100μL，得混合液A。其中缓冲液A为含有1M NaNO3和20mM MgCl2的10mM HEPES缓冲溶液，pH7.0。接着将步骤(2)制得的组装DNA四面体纳米结构捕获探针的金电极浸入混合液A中。先在60℃下变性5分钟，再室温冷却20分钟，然后分别在20℃、25℃和37℃条件下经过2小时杂交，取出该杂交后的金电极，用10mM HEPES缓冲溶液冲洗金电极。
其余所有步骤和参数与实施例1完全一致。
检测电流信号，结果如表5和图6所示。表5说明，使用本发明所述的方法对二价金属离子锰离子、钴离子、镍离子、钡离子、铜离子、镉离子、镁离子、锌离子、钙离子和铅离子进行检测，该方法对铅离子具有良好的特异性。
表5二价金属离子的特异性
离子种类 Mn<sup>2+</sup> Co <sup>2+</sup> Ni<sup>2+</sup> Ba<sup>2+</sup> Cu<sup>2+</sup> Mg<sup>2+</sup> Zn<sup>2+</sup> Ca<sup>2+</sup> Pb<sup>2+</sup>
电流(nA) 45.0 104.0 148.8 110.3 158.3 126.0 148.4 49.3 26.3
实施例6
(3)将含有0nM、1nM和100nM铅离子的超纯水(超纯水来自milipore纯水制备系统,电阻大于等于18.2MΩ·cm)、含有0nM、1nM和100nM铅离子的自来水(自来水来自上海市计量测试技术研究院理化东楼的自来水管)和含有0nM、1nM和100nM铅离子的池塘水(池塘水来自上海市计量测试技术研究院中的池塘)分别与1μM Pb-脱氧核酶探针(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.5所示)在缓冲液A中混合，调整终体积为100μL，得混合液A。其中，含有0nM、1nM和100nM铅离子的超纯水、含有0nM、1nM和100nM铅离子的自来水和含有0nM、1nM和100nM铅离子的池塘水的配制方法是将铅离子添加到超纯水、自来水和池塘水，使其终浓度分别为0nM、1nM和100nM。其中缓冲液A为含有1M NaNO3和20mM MgCl2的10mM HEPES缓冲溶液，pH 7.0。接着将步骤(2)制得的组装DNA四面体纳米结构捕获探针的金电极浸入混合液A中。先在60℃下变性5分钟，再室温冷却20分钟，然后经过2小时25℃杂交后，取出该杂交后的金电极，用10mM HEPES缓冲溶液冲洗金电极。Tetra-A通过该杂交过程自身形成了G-四联合体结构，从而得到了含G-四联合体结构的金电极。
其余所有步骤和参数与实施例1完全一致。
检测电流信号，结果如表6和图7所示。表6说明，无论是自来水还是池塘水，都不会对铅离子的检测产生干扰，都能够检测到相应浓度的铅离子电化学信号。
表6检测方法抗干扰
Figure BDA0001016218510000121
实施例7
(1)取50μM的Tetra-A(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.1所示)、Tetra-B(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No2所示)、Tetra-C(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.3所示)和Tetra-D(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.4所示)各1μL，30mM三(2-羧乙基)膦(TCEP)1μL和45μL的TM缓冲溶液(由20mM Tris和50mM MgCl2组成，pH 8.0)混合均匀。93℃加热5分钟后迅速降温到2℃，持续30秒以上，用PCR仪控温。得到终浓度为1μM的含功能化核酸的DNA四面体纳米结构捕获探针。
(2)取金盘工作电极(CHI101，购自上海辰华公司)，用50nm的三氧化二铝粉末进行打磨抛光2min，然后依次用无水乙醇、Milli-Q超纯水超声2min，以氮气吹干残留的水珠，得处理干净的金电极。然后将3μL步骤(1)制得的含功能化核酸的DNA四面体纳米结构捕获探针滴加到处理干净的金电极表面，室温反应过夜组装，得组装DNA四面体纳米结构捕获探针的金电极。
(3)将100nM的铅离子与1μM Pb-脱氧核酶探针(其核苷酸序列如序列表中SEQ IDNo.5所示)在缓冲液A中20℃混合2分钟，调整终体积为100μL，得混合液A。其中缓冲液A为含有1M NaNO3和20mM MgCl2的10mM HEPES缓冲溶液(HEPES缓冲溶液购自Sigma公司)，pH 7.0。接着将步骤(2)制得的组装DNA四面体纳米结构捕获探针的金电极浸入混合液A中。先在55℃下变性6分钟，再15℃冷却20分钟，然后在25℃下分别经过2小时的杂交后，取出杂交后的金电极，取出杂交后的金电极，用含有50mM NaNO3，pH7.0的10mM HEPES缓冲溶液直接持续冲洗金电极45秒。Tetra-A(即悬挂单链DNA)通过该杂交过程自身形成了G-四联合体结构，从而得到了含G-四联合体结构的金电极。
其余所有步骤和参数与实施例1完全一致。
实施例8
(1)取50μM的Tetra-A(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.1所示)、Tetra-B(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.2所示)、Tetra-C(其核苷酸序列如序列表中SEQ IDNo.3所示)和Tetra-D(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.4所示)各1μL，30mM三(2-羧乙基)膦(TCEP)1μL和45μL的TM缓冲溶液(由20mM Tris和50mM MgCl2组成，pH 8.0)混合均匀。97℃加热2分钟后迅速降温到5℃，持续30秒以上，用PCR仪控温。得到终浓度为1μM的含功能化核酸的DNA四面体纳米结构捕获探针。
(2)取金盘工作电极(CHI101，购自上海辰华公司)，用50nm的三氧化二铝粉末进行打磨抛光2min，然后依次用无水乙醇、Milli-Q超纯水超声2min，以氮气吹干残留的水珠，得处理干净的金电极。然后将3μL步骤(1)制得的含功能化核酸的DNA四面体纳米结构捕获探针滴加到处理干净的金电极表面，室温反应过夜组装，得组装DNA四面体纳米结构捕获探针的金电极。
(3)将100nM的铅离子与1μM Pb-脱氧核酶探针(其核苷酸序列如序列表中SEQ IDNo.5所示)在缓冲液A中25℃混合1分钟，调整终体积为100μL，得混合液A。其中缓冲液A为含有1M NaNO3和20mM MgCl2的10mM HEPES缓冲溶液(HEPES缓冲溶液购自Sigma公司)，pH 7.0。接着将步骤(2)制得的组装DNA四面体纳米结构捕获探针的金电极浸入混合液A中。先在65℃下变性4分钟，再25℃冷却10分钟，然后在30℃下分别经过1小时的杂交后，取出杂交后的金电极，用10mM HEPES缓冲溶液冲洗金电极。Tetra-A(即悬挂单链DNA)通过该杂交过程自身形成了G-四联合体结构，从而得到了含G-四联合体结构的金电极。
其余所有步骤和参数与实施例1完全一致。
对比例1直接使用络合hemin的G-四联合体结构对铅离子进行检测
(1)将100nM的铅离子与1μM Pb-脱氧核酶探针(其核苷酸序列如序列表中SEQ IDNo.5所示)在缓冲液A中混合，调整终体积为100μL，得混合液A。其中缓冲液A为含有1MNaNO3和20mM MgCl2的10mM HEPES缓冲溶液(HEPES缓冲溶液购自Sigma公司)，pH 7.0。接着将带有与Pb-脱氧核酶探针部分杂交的检测探针Ⅰ(其核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.7所示)的金电极浸入混合液A中。先在60℃下变性5分钟，再室温冷却20分钟，然后在25℃下分别经过2小时的杂交后，取出杂交后的金电极，用10mM HEPES缓冲溶液冲洗金电极。通过该杂交过程形成了G-四联合体结构，从而得到了含G-四联合体结构的金电极。
(2)将步骤(1)所得的含G-四联合体结构的金电极浸入含有1mM H2O2和1μM Hemin[血红素，购自Frontier Scientific(Logan,UT,USA)]的10mM缓冲液B，然后进行电化学循环伏安法(CV)测试。其中，缓冲液B为含有50mM NaNO3和100mM KCl的10mM HEPES缓冲溶液，pH为7.0。
检测电流信号，结果发现该方法的灵敏度为100pM。
应理解，在阅读了本发明的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Figure IDA0001016218570000011
Figure IDA0001016218570000021
Figure IDA0001016218570000031

Claims (12)

1.一种DNA四面体纳米结构捕获探针检测铅离子的方法，其特征在于，
所述的DNA四面体纳米结构捕获探针由单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D组成，所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D都含有三个结构域，且每个所述结构域分别与其他三条单链探针的结构域互补；所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D分别围绕一圈形成DNA四面体基座的一个面，并在所述DNA四面体基座的顶点处有两个非互补的起弯折作用的碱基；所述单链探针Tetra-A的3’端还含有结构域A，所述结构域A与铅离子依赖的脱氧核酶探针互补；所述结构域A的核苷酸序列如序列表中SEQ IDNo.6所示，所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D的核苷酸序列分别如序列表中SEQ ID No.1、SEQ ID No.2、SEQ ID No.3和SEQ ID No.4所示；
所述的方法包括以下的步骤：
(1)、通过DNA纳米自组装技术的一步法合成方法制得所述DNA四面体基座；所述的一步法合成方法是将所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D配制成探针溶液，在93～97℃加热2～5min后，冷却至2～5℃持续30秒而得所述DNA四面体基座；所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D都含有三个结构域，且每个所述结构域分别与其他三条单链探针的结构域互补；所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D分别围绕一圈形成所述DNA四面体基座的一个面，并在所述DNA四面体基座的顶点处有两个非互补的起空间距离控制作用的碱基；所述单链探针Tetra-A的3’端还含有结构域A，所述结构域A与铅离子依赖的脱氧核酶探针互补；
(2)、在电化学装置的工作电极的表面添加步骤(1)所得的DNA四面体基座，使所述DNA四面体基座的三个顶点自组装连接到所述的工作电极的表面，另一个顶点延伸出所述结构域A，得到表面组装DNA四面体基座的工作电极；
(3)、将待检测样品溶液与铅离子依赖的脱氧核酶探针与步骤(2)所得的工作电极反应，60℃变性5分钟，20℃冷却20分钟，再25℃杂交2小时，即获得带G-四联合体的工作电极；所述的铅离子依赖的脱氧核酶探针的核苷酸序列如序列表中SEQ ID No.5所示；
(4)、将过氧化氢和血红素加入到缓冲溶液中进行混合，然后将步骤(3)所得的带G-四联合体的工作电极浸入上述混合溶液中，进行过氧化氢分解的氧化还原反应，产生电化学氧化还原信号，进行电化学检测分析，所述的电化学检测分析为循环伏安法；
所述的方法的灵敏度能够达到10pM。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述一步法合成通过以下步骤实现：取1μM所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D的溶液各1μL以及30mM的三(2-羧乙基)膦1μL和45μL TM缓冲溶液A混合均匀，然后95℃加热2min，迅速降温到4℃，4℃持续30秒以上，即得终浓度为1μM的所述DNA四面体基座；所述TM缓冲溶液A包括20mM Tris，50mM MgCl2，调节至pH8.0；所述单链探针Tetra-A、单链探针Tetra-B、单链探针Tetra-C和单链探针Tetra-D的摩尔浓度比为1:1:1:1。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一步法合成使用控温仪控制95℃加热2分钟，迅速降温到4℃，持续30秒以上。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述电化学装置是金盘工作电极。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的DNA四面体结构探针的三个顶点连接到所述电化学装置的工作电极表面，通过共价自组装连接。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的共价自组装连接为通过金硫键连接。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述待检测样品溶液与铅离子依赖的脱氧核酶探针在HEPES缓冲溶液B中混合，所述HEPES缓冲溶液B为含有1M NaNO3和20mMMgCl2的10mM HEPES，调节至pH7.0。
8.如权利要求7所述的方法，特征在于，步骤(3)中所述混合的温度为20～25℃；所述混合的时间为1～2分钟。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述过氧化氢和血红素的摩尔浓度比为1000:1；所述缓冲溶液为HEPES缓冲溶液C，所述HEPES缓冲溶液C为含有50mM NaNO3和100mM KCl的10mM HEPES缓冲溶液，pH为7.0。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(1)～(4)的任意一步完成后，用洗液洗去反应体系中的游离物，所述的洗液为HEPES缓冲溶液。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述HEPES缓冲溶液为含有50mM NaNO3，pH7.0的10mM HEPES缓冲溶液。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述洗液的洗涤方式是直接持续冲洗30～45秒。
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