CN110346345A - 一种高敏dna水凝胶对铀酰离子浓度的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高敏DNA水凝胶对铀酰离子浓度的检测方法，包括以下步骤：首先，制备具有SERS性能的基底材料，接着，将拉曼探针分子RhB包埋在对铀酰离子响应的高特异性DNA水凝胶中，其次，将制备好的水凝胶涂覆到SERS基底材料表面，由于铀酰离子对DNA生物探针的催化反应，导致DNA在底物链的rA处发生断裂，从而释放出包埋于其中的拉曼探针分子RhB；再次，释放的拉曼探针分子吸附到SERS基底表面，利用拉曼光谱仪检测，根据探针分子RhB的峰强度，间接检测铀酰离子。本发明建立的检测方法具有灵敏度高、选择性好、抗基体干扰能力强、简单快速等优点，具有可推广的可能性。

Description

一种高敏DNA水凝胶对铀酰离子浓度的检测方法

技术领域

本发明涉及一种痕量铀酰离子的检测方法，具体涉及一种基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，属于水环境中痕量离子的检测领域。

背景技术

水凝胶是一种能够在水环境中发生溶胀的亲水性高分子聚合物，通过物理交联或者化学交联制备。凝胶结构又可以称为“智能水凝胶”，能够响应如温度，pH，离子强度和溶剂组成等多种环境参数。DNA交联水凝胶的出现，很好的促进了水凝胶传感器的应用范围。其中，脱氧核酶(DNAzyme)是一类具有催化功能的DNA片段。功能核酸分子功能的多样性可以通过DNAzyme的催化反应来体现，其中包括，光逆转，DNA连接，RNA切割，磷酸化。DNAzyme其中一个非常重要的性质，是通过金属离子的存在(如铅离子，汞离子，铀酰离子，铜离子等)对特定的位点进行识别和切割。当金属离子存在时，DNAzyme在自由体系中会形成类似环形的二级结构，在金属离子的存在下，切割特定的识别位点，使得rA位点裂解。科学家利用DNAzyme与金属离子相互作用的特点，将脱氧核酶开发成能够监测金属离子的生物传感器。这样的生物传感器对待测金属离子有很高的专一性和特异性。

传统的检测方法利用大型仪器检测铀酰离子，如ICP-MS，原子吸收光谱等。具有较高的操作要求，检测成本高，时间长，需要复杂的样品前处理过程。表面增强拉曼技术(SERS)是一种新型的痕量分析技术，具有可直接检测，前处理简单，检测时间短，效率高，灵敏度高等优点。尤其适用于检测铀酰离子这类危险性物质中。

发明内容

利用DNAzyme构筑水凝胶生物传感器，结合SERS技术开展铀酰离子的痕量检测研究，可以更好的响应天然水样品中的铀酰离子，快速，准确，灵敏，便捷的对痕量铀酰离子进行检测。

本发明提供了一种高敏DNA水凝胶对铀酰离子的检测方法，利用包含有能与铀酰离子有特异性响应的DNA酶，捕捉底物链序列的DNA单链，以及两条末端键合有丙烯酰胺的DNA核苷酸序列，四条DNA核苷酸序列可以将信报分子包裹，形成DNA水凝胶传感器。将DNA水凝胶传感器涂覆到SERS柔性基底表面，高分子材料之间具有很好的相容性，当铀酰离子溶液滴到涂覆有DNA水凝胶的SERS柔性基底表面时，对铀酰离子有特异性催化作用的rA位点发生断裂，水凝胶表面出现了破口，包覆于水凝胶内部的信报分子通过破口溃流出来，吸附到SERS基底表面，利用拉曼光谱仪检测，间接得到铀酰离子的检测信号。

本发明利用DNA水凝胶作为生物传感器对铀酰离子的最低检测浓度为10^-12M，能够超灵敏检测铀酰离子，有效解决了现有检测技术灵敏度和选择性不高的问题。同时，本发明具有简单、方便、易于携带，能实时、在线检测铀酰离子的浓度，具有很好的应用前景。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高敏DNA水凝胶对铀酰离子浓度的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，制备具有SERS性能的基底材料；

步骤二，将有机分子探针包埋在对铀酰离子响应的高特异性DNA水凝胶中；

步骤三，将步骤二制备好的DNA水凝胶涂覆到具有SERS性能的基底材料表面，利用铀酰离子对DNA生物探针的催化反应，使DNA在底物链的rA处发生断裂，从而释放出包埋于其中的有机分子探针；

步骤四，释放的有机分子探针吸附到SERS基底表面，利用拉曼光谱仪检测，根据有机分子探针的峰强度，间接检测铀酰离子的浓度。

具有SERS性能的基底材料是以纳米硅柱阵列为模板，先利用纳米压印技术，获得柔性聚氨酯阵列基底，基底表面具有有序的纳米阵列结构，随后通过磁控溅射纳米银构筑复合SERS基底。

优选的，所述有机分子探针为拉曼探针分子，如RhB。

对铀酰离子响应的高特异性DNA水凝胶具有特定序列的DNA核苷酸序列组成，包括两条5’修饰丙烯酰胺的DNA高聚链，一条能与铀酰离子有特异性响应的底物链，一条与底物链退火双链的酶链；其中，高聚链包括：单链A1：GACACTTTTACACCGCTATT 5’-3’，其中5位修饰有acrydite；单链A2：CTACAAAAACACATTAGCCG 5’-3’，其中5位修饰有acrydite；底物链部分：TTAATCACTCACTATrAGGAAGAGATGGACGTG 5’-3’；酶链部分：CACGTCCATCTCTGCAGTCGGGTAGTTAAACCGACCTTCAGACATAGTGAGT 5’-3’。

步骤二中，高特异性DNA水凝胶中，各DNA链的浓度为50μM-1mM。

步骤三中，所述高特异性DNA水凝胶与铀酰离子的反应时间为30min-3h。

步骤四中，释放的有机分子探针吸附到SERS基底表面的时间为10-30min。

由上述对本发明的描述可知，与现有的技术相比，本发明的一种高特异性DNA水凝胶对铀酰离子的检测方法灵敏度高，检测结果可靠，且成本低廉，检测迅速，操作检测，具有广泛推广的可能性。

附图说明

图1是本发明实施例一特异性DNA水凝胶的制备过程及铀酰离子检测过程示意图。

图2是本发明实施例一不同浓度的铀酰离子溶液的SERS检测图。

图3是本发明实施例一不同浓度的铀酰离子溶液的标准曲线图。

图4是本发明实施例二中干扰离子测试结果图。

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。

实施例一

1)SERS基底的制备：

先用光刻法结合深硅刻蚀技术，在硅片上刻蚀一定排列方式的纳米硅柱阵列；然后以纳米硅柱阵列为模板，利用模板在柔性聚氨酯材料上压印出具有有序阵列的SERS基底，利用磁控溅射纳米银构筑复合SERS活性基底材料。

2)DNA水凝胶的制备：

将DNA链A1和DNA链A2的线性高分子聚合物PS-A、PS-B按照1:1混合，加入反应缓冲液(25mM HEPES，300mM NaCl，pH 7)，之后加入探针分子RhB，再加入DNAzyme底物链和酶链，保证最终浓度PS-A:PS-B:DNAzyme底物链：DNAzyme酶链浓度比为1:1:0.5:1；DNAzyme酶链的浓度为50μM，放置振荡器中震荡，并在20℃保持加热5min，缓慢冷却至室温，直至得到均匀包裹探针分子的三维交联水凝胶。

3)铀酰离子的表面增强拉曼检测：

将步骤2)中包裹了探针分子的DNA水凝胶涂覆到复合SERS基底表面，并滴加上待测的铀酰离子溶液，反应10min后，做拉曼检测。图1是特异性DNA水凝胶的制备过程及铀酰离子检测过程示意图；图2为不同浓度的铀酰离子溶液的SERS检测图；图3为不同浓度的铀酰离子溶液的标准曲线图。

实施例二

1)对其他干扰离子的检测实验：

将实施例一制备的DNA水凝胶SERS生物传感芯片即DNA水凝胶用于检测重金属离子(如Ag⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺、Ca²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺、Th⁴⁺、Zn²⁺、Ba²⁺、Mn²⁺)水样分别反应一段时间，各重金属离子浓度均为10^-9M,并用拉曼光谱仪检测，图4是本发明实施例二中干扰离子测试结果图，从图4可以看出，该DNA水凝胶对铀酰离子具有高特异性，检测其浓度时不受其他重金属离子的干扰，灵敏度高。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

单链A1：acrydite-GACACTTTTACACCGCTATT 5’-3’；

单链A2：acrydite-CTACAAAAACACATTAGCCG 5’-3’；

底物链部分：TTAATCACTCACTATrAGGAAGAGATGGACGTG 5’-3’；

酶链部分：CACGTCCATCTCTGCAGTCGGGTAGTTAAACCGACCTTCAGACATAGTGAGT5’-3’。

Claims (8)

1.一种高敏DNA水凝胶对铀酰离子浓度的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，制备具有SERS性能的基底材料；

步骤二，将有机分子探针包埋在对铀酰离子响应的高特异性DNA水凝胶中；

步骤三，将步骤二制备好的DNA水凝胶涂覆到具有SERS性能的基底材料表面，利用铀酰离子对DNA生物探针的催化反应，使DNA在底物链的rA处发生断裂，从而释放出包埋于其中的有机分子探针；

步骤四，释放的有机分子探针吸附到SERS基底表面，利用拉曼光谱仪检测，根据有机分子探针的峰强度，间接检测铀酰离子的浓度。

2.根据权利要求1所述的高敏DNA水凝胶对铀酰离子浓度的检测方法，其特征在于所述的具有SERS性能的基底材料是以纳米硅柱阵列为模板，先利用纳米压印技术，获得柔性聚氨酯阵列基底，基底表面具有有序的纳米阵列结构，随后通过磁控溅射纳米银构筑复合SERS基底。

3.根据权利要求1所述的高敏DNA水凝胶对铀酰离子浓度的检测方法，其特征在于所述有机分子探针为拉曼探针分子。

4.根据权利要求3所述的高敏DNA水凝胶对铀酰离子浓度的检测方法，其特征在于所述拉曼探针分子为RhB。

5.根据权利要求1所述的高敏DNA水凝胶对铀酰离子浓度的检测方法，其特征在于所述对铀酰离子响应的高特异性DNA水凝胶具有特定序列的DNA核苷酸序列组成，包括两条5’修饰丙烯酰胺的DNA高聚链，一条能与铀酰离子有特异性响应的底物链，一条与底物链退火双链的酶链；其中，高聚链包括：单链A1：GACACTTTTACACCGCTATT5’-3’，其中5位修饰有acrydite；单链A2：CTACAAAAACACATTAGCCG5’-3’，其中5位修饰有acrydite；底物链部分：TTAATCACTCACTATrAGGAAGAGATGGACGTG5’-3’；酶链部分：CACGTCCATCTCTGCAGTCGGGTAGTTAAACCGACCTTCAGACATAGTGAGT5’-3’。

6.根据权利要求1或5所述的高敏DNA水凝胶对铀酰离子浓度的检测方法，其特征在于所述高特异性DNA水凝胶中，各DNA链的浓度为50μM-1mM。

7.根据权利要求1所述的高敏DNA水凝胶对铀酰离子浓度的检测方法，其特征在于步骤三中，所述高特异性DNA水凝胶与铀酰离子的反应时间为30min-3h。

8.根据权利要求1所述的高敏DNA水凝胶对铀酰离子浓度的检测方法，其特征在于步骤四中，释放的有机分子探针吸附到SERS基底表面的时间为10-30min。