荧光生物传感器的构建及其在重金属离子检测中的应用

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荧光传感器是一种将特定的分子识别通过信号转换系统转换成可视化信号的一种装置。荧光传感器具有一些优异的性能,如简易的装置,快速的响应,高的灵敏度和稳定性等。重金属离子具有不可降解性及生物富集性,严重威胁着人类的生命安全。如Cr(VI)具有高度的致癌性,对人类的呼吸系统,胃肠道系统和肾脏系统造成严重的不可逆损害。过量的铅离子(Pb2+)对儿童的伤害尤为显著,会导致其认知水平下降和记忆能力减退,影响胎儿的正常发育甚至导致畸形等。甲苯,一种毒性的有机试剂,被广泛用于各个领域中,严重危害着人类的呼吸系统和神经系统。因此构建新型的荧光传感器用于准确检测毒性的Cr(VI)、Pb2+和甲苯至关重要。本文制备了一种新型的多功能N/S共掺杂荧光碳点,用于检测Cr(VI)和甲苯。此外,借助toehold介导的核酸信号放大技术,构建了不同的荧光传感平台用于检测环境样品中痕量的Pb2+。相关的研究内容如下:(1)基于N/S共掺杂碳点构建新型多功能荧光传感器用于检测Cr(VI)和甲苯以柠檬酸一水合物和硫代氨基脲为原料,合成了多功能的氮和硫共掺杂荧光碳点(N,S-CDs)。由于内滤效应,Cr(VI)可有效淬灭N,S-CDs的荧光,基于此,利用N,S-CDs实现了Cr(VI)的检测,检测限为0.33 n M。当加入过量的Ba2+时,N,S-CDs的荧光强度可被恢复。其次,所制备的N,S-CDs对甲苯也表现出良好的线性响应,可实现对甲苯的检测,检测限为0.03μmol/L。此外,利用河水来评估了N,S-CDs检测Cr(VI)的实际应用性能。所制备的N,S-CDs有望被用于构建不同毒性污染物检测的多功能荧光传感平台。(2)DNA分支纳米结增强r GO上FAM标记探针的荧光恢复用于检测Pb2+还原氧化石墨烯(r GO)可有效吸附染料标记的单链DNA(ss DNA)并猝灭其荧光,引入互补DNA(c DNA)序列后,荧光可被恢复。因此,r GO已被广泛应用于荧光传感器的构建。然而,c DNA的引入所引起的较弱的荧光恢复使得传感器的灵敏度受到限制。在本策略中,超支化的DNA分支纳米结被成功构建并用于改善r GO上FAM标记探针的荧光恢复率。在存在目标Pb2+的情况下,底物中的核糖核苷酸(r A)被特异性裂解,三个亚稳态发夹的催化发夹组装被启动,形成超支化DNA分支纳米结。DNA分支纳米结不仅可以与FAM标记探针高效地杂交,而且非常不受r GO欢迎,因此可提高r GO上FAM标记探针的荧光恢复。所构建的传感器对Pb2+的检测限低至0.17 n M。而且传感器具有良好的选择性和令人满意的实用性。DNA分支纳米结的构建提供了一种用于改善r GO上染料标记探针的荧光恢复率的新途径,有利于提高检测灵敏度。(3)基于无酶局域化发夹-DNA级联反应和磁珠构建的荧光传感器检测Pb2+在传统的发夹-DNA杂交反应中,由于发夹反应物是在三维空间中随机寻找其目标发夹进行杂交的,因而限制了其杂交效率。在局域化发夹-DNA级联反应中,高浓度的DNA发夹反应物依照特定的顺序被紧密排列在一个紧凑空间中,发夹反应物之间可进行顺序化DNA级联反应,这显著降低了发夹-DNA的杂交时间和提高了杂交效率。因而局域化发夹-DNA级联反应已经成为获取高的发夹-DNA杂交效率的重要途径。但所报道的局域化发夹-DNA级联反应通常需要昂贵的蛋白酶参与。恶劣环境下蛋白酶易失去其生物活性而导致蛋白酶参与的局域化发夹-DNA级联反应的应用受到严重限制。在本策略中,无酶的局域化发夹-DNA级联反应和具有出色的固载能力的磁珠被整合用于提高DNA级联反应的杂交速度和杂交效率。在目标物Pb2+存在时,DNAzyme被激活,释放的DNAzyme链可打开磁珠上有序排列的发夹反应物,伴随着明显的荧光淬灭。所构建的荧光传感策略对Pb2+表现出令人满意的检测性能,检测限达3.0 pmol/L,并被成功用于检测天然河水中Pb2+的检测。无酶局域化DNA级联反应优良的信号放大能力为构建高灵敏的荧光传感平台提供了新方法。
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