基于生物傳感器的土壤重金屬檢測系列新方法介紹

傳統重金屬檢測方法依賴大型儀器，需要復雜繁瑣的前處理過程、高昂的檢測成本和較長的檢測周期。同時，傳統檢測方法面臨著靈敏度不高和智能化程度低的問題。因此，亟需建立高靈敏度及智能化重金屬檢測方法，以彌補傳統方法的不足。生物傳感器是快速檢測方法，具有響應迅速、成本低、靈敏度高及便于攜帶等優點，可以較好地克服傳統檢測方法的局限，在重金屬簡單、快速、高靈敏檢測方面頗具應用前景。

中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室研究員劉承帥團隊與廣東省科學院生態環境與土壤研究所研究員陳俊華等，建立了以功能核酸為分子識別元件的重金屬生物傳感器，實現了對重金屬的超靈敏、智能化快速檢測，并構建了土壤有效態重金屬檢測新方法。?

該團隊建立了DNA網狀納米結構生物傳感器，實現了對土壤重金屬的超靈敏檢測?？蒲腥藛T創新性地以雙莖環DNA探針為自組裝元件。當反應體系存在待檢重金屬（以鈾離子為例），釋放的核酸片段可激活DNA組裝，經過多重循環的核酸雜交及鏈置換反應，形成DNA網狀納米結構的熒光生物傳感器。該熒光生物傳感器對鈾離子的檢測線性范圍為10 pM到1 mM，檢測限為2 pM，可實現對土壤樣品中痕量鈾污染的超靈敏檢測。該熒光生物傳感器操作簡單、響應迅速、信號擴增效率高效，為土壤重金屬的超靈敏檢測提供了新方法。

（A）DNA網狀納米結構生物傳感器檢測重金屬原理；（B）原子力顯微鏡表征組裝的DNA納米結構；（C）檢測限和檢測靈敏度分析

該研究建立了分子邏輯門生物傳感器，在分子水平上實現了重金屬的智能化檢測。研究以有效態鉛和有效態鎘兩種重金屬為目標物，基于二進制原理，以0和1對重金屬進行編碼，以功能核酸為重金屬分子識別元件，通過核酸并行運算和雜交反應，構建了多種分子邏輯門生物傳感器，包括OR、AND、XOR、INHIBIT、半加器、半減器等。在生物傳感邏輯運算中，0表示檢測體系中不存在有效態鉛或鎘；1表示檢測體系中存在有效態鉛或鎘。以FAM和Cy5進行雙通道熒光標記，根據真值表排布，不同的重金屬組合會產生不同的熒光輸出信號，從而在分子水平上為重金屬的智能化檢測提供了一套新的傳感體系。

（A）分子邏輯門生物傳感器用于有效態重金屬的智能化檢測；（B）半加器分子邏輯門生物傳感器結果；（C）半減器分子邏輯門生物傳感器結果；（D）半加器分子邏輯運算真值表；（E）半減器分子邏輯運算真值表

該工作建立了DNA熒光生物傳感器，實現了對土壤有效態重金屬的免萃取、簡單、快速檢測。目前，土壤有效態重金屬檢測方法較多，如BCR法、Maiz三步連續提取方法、Tessier五步連續提取法、DTPA-CaCl2法等，但適用條件等存在爭議。例如，強酸強堿等化學試劑介導的重金屬萃取難以反映土壤中有效態重金屬的真實含量。同時，這些方法需要連續多步的萃取分離過程，步驟繁瑣且耗時較長。因此，探索構建無需消解萃取且可真實反應土壤中有效態重金屬含量的快速檢測方法具有重要意義。

（A）DNA熒光生物傳感器用于有效態重金屬檢測原理；（B）有效態重金屬檢測靈敏度分析結果

該團隊以生命體基元DNA為有效態重金屬識別探針，通過DNA識別、切割以及信號轉換，構建了DNA熒光生物傳感器，實現了對土壤有效態重金屬（鉛、鎘、銅等）的快速檢測。該方法操作簡單、無需復雜的連續萃取過程，同時，DNA探針混合即可檢測，響應迅速，方便現場快速分析。該熒光生物傳感器對有效態鉛的檢測靈敏度可達0.2 pM，用于土壤樣品有效態重金屬檢測時，與傳統DTPA-CaCl2法相比，誤差小于10%，具有高靈敏度和高特異性，可滿足復雜樣品中有效態重金屬檢測需求。

相關研究成果分別發表在Analytical Chemistry、Talanta和Science of The Total Environment上。相關技術已申請發明專利。研究工作得到國家重點研發劃、國家自然科學基金和貴州省高水平人才項目等的支持。