基于功能性核酸的重金属离子检测技术

1、    基于功能性核酸的重金属离子检测技术    张立佩 魏晓奕 王俊海 李婷摘 要：功能核酸是一段体外获得的可与相应的靶分子特异性结合的寡核苷酸序列，具有易合成、易修饰、靶分子范围广等特点，近年来在重金属检测方面逐渐受到关注。本文简要综述了基于功能核酸实现重金属离子检测的几种常见类型，分别介绍了其检测原理及分析对象，并简单分析了检测技术的优势和局限。关键词：功能性核酸;重金属;传感0 引言随着城市化和工业化的迅速发展，我国重金属污染处于高发态势。重金属污染具有毒性大、致毒量低、易累积、难降解、难治理等特点。通常，较低浓度的重金属就能严重害人体健康，包括

2、抑制发育，引发癌症、器官病变、神经系统紊乱等，甚至会导致死亡。其中，镉、汞、铅、砷、铬等重金属的污染最为常见而又毒性较大。近年来，全国每年都有许多自来水厂因水源地遭受重金属污染而被迫减产或停产，严重影响了公众健康和社会稳定。随着人们对重金属危害的认识日益深入，强制开展水环境，特别是饮用水源地中的重金属检测已在世界范围内达成共识。因此，发展痕量重金属的检测技术具有重要的现实意义。1 传统重金属检测方法原子荧光光谱分析法（afs）、原子吸收分光光度计法（aas）和电感耦合等离子体质谱分析法（icp-ms）是水环境及食品中痕量汞、铜、锌、镉和铅等重金属离子检测的标准方法。這些方法具有精密度高和检出限

3、低等优点，但样品前处理过程复杂、耗时长，需要专业技术人员操作，检测费用高，常规检测次数有限;另外这些方法依赖大型实验室仪器设备，很难实现快速、实时检测样品的实际需要。因此，科研工作者希望继续寻求一些简单、快速、灵敏的重金属离子检测技术。2 功能性核酸重金属检测方法功能核酸是一类新的具有高选择性的功能识别分子，它是通过指数富集配体系统进化技术（systematic evolution of ligands by exponentional  enrichment，selex）体外筛选出来的能特异结合特定靶分子的寡聚核苷酸片段，具有易合成、高特异性、强亲和力、高灵敏度、低成本、快速准确、

4、安全可靠等优点1。大量研究表明，在分子水平上某些重金属离子可与特定的基因序列发生作用，使其空间结构发生改变，而这种结构和性能的改变为重金属离子的快速、特异性识别提供了一条便捷的途径。本文介绍几种常见的利用功能核酸实现重金属离子检测的传感方法。2.1 核酸适配体（aptamer）核酸适配体是一段人造的单链dna、rna或者多肽分子，能够与目标金属通过氢键、范德华力或碱基配对等进行特异性结合，使其折叠成特定的二级或三级结构。目前已报道的主要有zn2+、pt2+、cd2+和as3+等重金属离子的核酸适配体。例如wu等2将生物素-链霉亲和素系统运用到selex技术中，既筛选出cd2+的特异性核酸适配体

5、，同时解决了金属离子在固相表面的结合固定问题，该法对cd2+的检测具有很好的选择性和高灵敏度。2.2 脱氧核酶（dnazyme）脱氧核酶是一类利用体外筛选技术获得的人工脱氧核糖核酸酶，其实质是一段单链dna充当类似蛋白酶催化活性的功能和识别能力。在特定重金属离子存在下，重金属离子可以作为辅助因子，激发dnazyme的催化活性，发生水解断裂反应。以对pb2+有较高选择性的8-17 dnazyme为例，它由底物链和核酸酶链结合而成，是一类含有rna碱基切割位点的dna复合物。当pb2+存在时，8-17 dnazyme催化水解底物链上rna底物磷酸二酯键，导致核糖核酸腺苷（ra）处发生断裂。目前基于

6、脱氧核酶催化功能的传感设计思路已经用于多种重金属的单指标甚至多指标的同时测定3。2.3 g-四连体（g4）富含鸟嘌呤（g）碱基的寡核苷酸序列在金属离子作用下，四个g碱基以旋转对称的方式排布，在平面边缘以氢键配对的方式形成一个g-平面，多个g-平面进而堆积形成g-四连体。一些选择性的金属离子，如k+、na+和pb2+等，可以嵌入到g-四连体结构中，使其更稳定的存在。这种金属离子稳定g-四连体结构的性质已被大量运用于上述金属离子的检测。如li等4成功合成了一种带正电的水溶性9，10-二苯乙烯基蒽季铵盐衍生物（btaesa）为荧光探针1，该探针能够测定出ssdna的浓度、长度，及其s1核酸酶和酶抑制

7、剂。同时利用富含鸟嘌呤（g）的凝血酶核酸适体（tba）与铅离子（pb2+）结合诱导形成g4联体结构的这种构象变换机理，并结合核酸酶s1对不同构象核酸适体水解能力的差异性，实现了基于探针1的新型铅离子荧光核酸适体传感器技术。2.4 t-hg2+-t和c-ag+-c核酸共价修饰量子点探针对hg2+的检测研究发现，hg2+和ag+可分别与dna中的胸腺嘧啶碱基（t）和胞嘧啶碱基（c）特异性结合，形成t-hg2+-t和c-ag+-c错配结构。基于此性质，不同信号转导机制的检测分析方法被用于hg2+和ag+的检测中。例如huang等5合成了发荧光的mn：cds/zns量子点，并共价偶联了一条富含t的33

8、个碱基的dna链，同时合成了与其互补的含有10个碱基的单链dna并与纳米金共价偶联。当无hg2+存在时，由于互补效应拉近了纳米金与量子点的距离，发生fret，使量子点荧光猝灭;当有hg2+存在时，基于t-hg2+-t错配原理，hg2+可以与33碱基反应使其折叠呈双链结构，从而破坏了与10碱基单链dna的互补效应，拉大了纳米金与量子点的距离，量子点荧光重新恢复，由此可以实现hg2+的检测，该传感的机理图如图1所示。3 结语基于功能核酸的重金属离子检测技术近几年发展迅猛，但其发展尚处于初级阶段。目前可用的功能核酸的种类较少，如何筛选分离出更多高特异性的功能核酸还有待于各学科的共同努力。此外，功能核

9、酸受环境条件影响较大，因此需要合理的修饰与保护，使其少受基质干扰，这也是以后功能核酸需要解决的一个问题。参考文献：1 robertson dl， joyce gf. selection in vitro of an rna enzyme that specifically cleaves singlestranded dnaj. nature，1990（344）：467-468.2 wu y， zhan s， wang l， zhou p. selection of a dna aptamer for cadmium detection based on cationic polymer me

10、diated aggregation of gold nanoparticles j. analyst，2014（139）：1550-1561.3 ravikumar a， panneerselvam p， padhakrishnan k. fluorometric determination of lead（i） and mercury（ii） based on their interaction with a complex formed between graphene oxide and a dnazyme j. microchimica acta，2018（185）：2-8.4 li

11、 x， ma k， xu b， et al. highly sensitive determination of ssdna and real-time sensing of nuclease activity and inhibition based on the controlled self-assembly of a 9， 10-distyrylanthracene probe j. analytical and bioanalytical chemistry，2014，406（3）：851-858.5 huang d w，niu c g，wang x y，et al.“turn-on”fluorescentsensor for hg2+ based on single-stranded dna functionalized mn： cds/zns quantum dots and gold n