一種用于鈾酰離子檢測的傳感器、其制備方法及應用
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電化學傳感器領域，尤其鈾酰離子檢測領域，具體為一種用于鈾酰離 子檢測的傳感器、其制備方法及應用。
【背景技術】
[0002] 鈾是重要的天然放射性元素、核燃料，鈾經(jīng)濃縮后，廣泛應用于核電和武器領域。 鈾具有高毒性和放射性的特點，在過去半年里引起了很大關注。
[0003] 鈾的大規(guī)模應用使得人類有很大機會暴露在鈾環(huán)境中，給自身 帶來了長期的健康危害（參考文獻：Zoriy,P.，Ostapczuk,P.，Dederichs ,Η. ,Hobig.J. ,Lennartz,R. , &Zoriy,M. (2010).Journalofenvironmental radioactivity, 101 (5), 414-420 ；Rozmaric,M. ,Ivsic,A.G. , &Grahek,Z. (2009). Talanta, 80 (1), 352-362. ；Jones,A.D. ,Miller,B.G. ,Walker,S. ,Anderson,J. ,Colvin,A. P.，Hutchison,P.A.，&Soutar,C.A. (2007) ·Environmentalresearch, 104(2)，216-223.)〇 為了保護人類健康和環(huán)境，有必要發(fā)展日常和有效監(jiān)測鈾的技術。
[0004] 鈾酰離子作為鈾在水溶液中存在的最穩(wěn)定的化學形式，其具有很好的生物相容 性，給人類健康帶來了極大的威脅。目前，實驗室中最常用的鈾酰離子探測方法主要包括： 原子吸收光譜（AAS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICP-AES)和電感耦合等離子體質(zhì) 譜（ICP-MS)，這些方法具有高選擇性、高靈敏度的特點。然而，現(xiàn)有方法存在分析成本高、設 備造價昂貴、儀器笨重等缺陷，根本不適合現(xiàn)場實時探測，仍然很有必要發(fā)展一種簡單、便 攜、可實時在線探測鈾的方法。
[0005] 因此，目前迫切需要一種簡單、便攜的鈾酰離子檢測裝置，以實現(xiàn)其的實時、快速 在線檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對目前主要采用原子吸收光譜（AAS)、電感耦合等離 子體原子發(fā)射光譜（ICP-AES)和電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS)等方法檢測鈾酰離子，存 在分析成本高、設備造價昂貴、儀器笨重等缺陷，根本不適合現(xiàn)場實時探測的問題，提供一 種用于鈾酰離子檢測的傳感器、其制備方法及應用。一方面，本發(fā)明提供一種用于鈾酰離子 檢測的傳感器及其制備方法；另一方面，本發(fā)明提供一種檢測鈾酰離子的方法。本發(fā)明首次 提出了利用DNA酶和目標催化發(fā)卡組裝放大策略來探測鈾酰離子的方法，其基于U022+-特 異性DNA酶和目標催化發(fā)卡組裝技術來實現(xiàn)U022+的超靈敏探測。本發(fā)明通過結合目標催 化發(fā)卡組裝的放大技術，U022+選擇性得到了極大改善。經(jīng)過優(yōu)化后，該傳感器探測限值為 2pM，遠遠低于其他方法的探測限值。本發(fā)明提供了一種簡單、方便、在線和實時探測鈾的超 靈敏的傳感器及檢測鈾酰離子的方法，對于鈾酰離子的檢測，具有重要的意義。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0008] -種用于鈾酰離子檢測的傳感器，包括金電極、設置在金電極上的敏感層，所述敏 感層包括通過Au-S鍵修飾到金電極表面的HI。
[0009] 所述HI由巰基修飾的堿基序列組成。
[0010]所述H1 的序列為hs- (ch2) 6atagtgagttgtagaagtcactatccattgacttctacaact。
[0011] 前述用于鈾酰離子檢測的傳感器的制備方法，包括如下步驟：將HI加熱形成HI發(fā) 卡結構，同時將干凈的金電極放入硫酸溶液中進行電化學清洗，并用氮氣干燥，再將干燥的 金電極插入到H1發(fā)卡結構溶液中靜置2~6小時，得第一金電極，然后用6-巰基正己醇浸 泡第一金電極1~5h，去除第一金電極上特異性吸附的DNA，即得傳感器。
[0012] 將H1加熱至80-95°C保溫3-9min后，冷卻至室溫，形成H1發(fā)卡結構。
[0013] 將金電極用氧化鋁粉末拋光后，依次采用超純水、無水乙醇超聲洗滌，得到干凈的 金電極，再將干凈的金電極放入硫酸溶液中進行電化學清洗。
[0014] 將金電極用氧化鋁粉末拋光后，依次采用超純水、無水乙醇超聲洗滌3-5min，氧化 鋁粉末的粒徑為〇. 04-0. 1μm。
[0015] 將干凈的金電極放入0. 3~0. 8mol/L的硫酸溶液中進行電化學清洗，并用氮氣干 燥，再將干燥的金電極插入到50~150μΜ的H1溶液中中靜置2~6小時，得第一金電極。
[0016] 前述用于鈾酰離子檢測的傳感器的應用，將該傳感器用于鈾酰離子的檢測。
[0017] 前述用于鈾酰離子檢測的傳感器的應用，包括如下步驟：
[0018] (1)將Η2加熱至80-95°C保溫3-9min后，冷卻至室溫，形成Η2發(fā)卡結構，備用；
[0019] (2)將傳感器浸泡于PBS緩沖液中，備用；
[0020] (3)向反應器中加入巰基修飾的底物DNA、酶鏈DNA、第一緩沖液，混合均勻，得第 一溶液，備用；
[0021] (4)將待測樣品加熱至70-100°C后，在1~4h內(nèi)冷卻至室溫，將冷卻后的待測樣 品加入第一溶液中，室溫反應6~18min，得第二溶液；
[0022] (5)將步驟2的傳感器在35~40°C下浸泡于第二溶液20~40min，得第一傳感 器，然后用超純水洗滌第一傳感器表面，再向第一傳感器上滴加第一反應液，使第一傳感器 與第一反應液在35~40 °C下1. 5-3. 5h，得到第二傳感器；
[0023] (6)將第二傳感器浸泡于第二緩沖液中5-20min，然后將浸泡后的第二傳感器用 超純水清洗，去除第二傳感器上非特異性吸附的亞甲基藍；
[0024](7)將步驟6處理后的第二傳感器進行方波伏安法測試，測定電流強度；
[0025](8)根據(jù)步驟7測定的結果，得出鈾酰離子濃度；
[0026] 所述第一緩沖液為含NaCl的2- (N-嗎啡啉）乙磺酸緩沖液，2- (N-嗎啡啉）乙磺 酸的摩爾濃度為5-15mmol/L，NaCl的摩爾濃度為0. 2-0. 5mol/L，該第一緩沖液的pH值為 4-6 ；
[0027] 所述步驟5中，第一反應液為含H2發(fā)卡結構和NaCl的PBS反應液，其中PBS的濃 度為40~60mmol/L，其中NaCl的濃度為0. 3~0. 7mol/L，第一反應液的pH值為6. 8-7. 8 ;
[0028] 所述步驟6中，第二緩沖溶液為含亞甲基藍的PBS緩沖液，PBS的摩爾濃度為 8-12mmol/L，亞甲基藍的摩爾濃度為15-25ymol/L;
[0029]所述H2 的序列為AGAAGTCAATGGATAGTGACTTCTACAACTCACTATCCATTG;
[0030]所述巰基修飾的底物DNA的序列為ACTTCTACAACTCACTATrAGGAAGAGATGGACGTG;
[0031]所述酶鏈DNA的序列為CACGTCCATCTCTGCAGTCGGGTAGTTAAACCGACCTTCAGACATAGTG AGT〇
[0032] 所述步驟3中，向反應器中加入巰基修飾的底物DNA、與巰基修飾的底物DNA等摩 爾量的酶鏈DNA、第一緩沖液，混合均勻，得第一溶液。
[0033] 所述第一緩沖液為含NaCl的2- (N-嗎啡啉）乙磺酸緩沖液，2- (N-嗎啡啉）乙磺 酸的摩爾濃度為10mm〇l/L，NaCl的摩爾濃度為0. 3mol/L，該第一緩沖液的pH值為5. 5。
[0034] 所述步驟5中，第一反應液為含H2發(fā)卡結構和NaCl的PBS反應液，其中PBS的濃 度為50mmol/L，其中NaCl的濃度為0. 5mol/L，第一反應液的pH值為6. 8-7. 8。
[0035] 所述步驟7中，將步驟6處理后的第二傳感器進行方波伏安法測試，掃描電壓范圍 為-0. 40到0. 00V，掃描振幅為50mV，得到電流強度。
[0036] 所述步驟8中，制作標準曲線，將步驟7測定的結果與標準曲線進行對比，得出鈾 酰離子濃度。
[0037] 針對前述問題，本發(fā)明提供一種用于鈾酰離子檢測的傳感器、其制備方法及應用。 本發(fā)明以鈾酰特異性DNA酶為基礎進行設計，其包括金電極、設置在金電極上的敏感層，敏 感層包括通過Au-S鍵修飾到金電極表面的HI，H1由巰基修飾的堿基序列組成，其序列為HS -(CH2)6ATAGTGAGTTGTAGAAGTCACTATCCATTGACTTCTACAACT。
[0038] 同時，本發(fā)明提供基于前述傳感器在檢測鈾酰離子的應用，具體為采用該傳感器 檢測鈾酰離子的方法。本發(fā)明利用鈾酰離子特異性DNA酶和兩個無標記分子發(fā)卡探測鈾酰 離子，其結合了DNA酶的高特異性和目標催化發(fā)卡組裝的等溫和無酶優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)鈾酰 離子的超靈敏探測。其中，鈾酰離子特異性DNA酶由酶鏈DNA(記為E-DNA)和底物DNA(記 為S-DNA)組成；H1和H2在使用前先分別加熱至80-95°C反應3-9min，逐漸冷卻至室溫，形 成發(fā)卡結構。該傳感器中，H1由疏基修飾的堿基序列組成，其通過Au-S鍵修飾到金電極表 面。當有鈾酰離子存在時，鈾酰離子會催化DNA酶剪切S-DNA，釋放S-DNA碎片鏈，釋放的 S-DNA碎片和固定在金電極表面的發(fā)卡H1雜交，打開H1，雜交部分生成雙鏈，打開的H1誘 導發(fā)卡H2雜交。S-DNA碎片自發(fā)地從發(fā)卡H1分離，繼續(xù)觸發(fā)下一個雜交循環(huán)過程。再將MB 嵌入雙鏈DNA(dsDNA)的小溝里，產(chǎn)生電化學信號。U022+濃度不同，DNA酶剪切釋放的S-DNA 碎片量不同，一定時間內(nèi)通過目標催化發(fā)卡組裝生成的dsDNA的量也不相同，導致產(chǎn)生的 MB的信號不同?；诖?，本發(fā)明通過監(jiān)測MB電化學信號的變化可以間接探測U022+。由于信 號放大和高特異性DNA酶的集成，本發(fā)明的傳感器具有超高的鈾酰離子探測靈敏度?？梢姡?本發(fā)明具有分析成本低的優(yōu)點，同時解決了設備造價昂貴、儀器笨重等缺陷，能夠滿足現(xiàn)場 實時探測的需要，具有較好的應用前景。
[0039] 綜上所述，本發(fā)明提出了一種新穎的基于U022+-特異性DNA酶和目標催化發(fā)卡組 裝技術來實現(xiàn)超靈敏探測U022+的傳感方法，通過結合目標催化發(fā)卡組裝的放大技術，U0 22+ 選擇性得到了極大改善。經(jīng)過優(yōu)化后，本發(fā)明的傳感器探測限值為2pM，遠遠低于其他方法 的探測限值。
[0040] 本發(fā)明首次提出了利用DNA酶和目標催化發(fā)卡組裝放大策略來探測鈾酰離子的 方法，同時通過選用相應的特異性酶，這種方法有望用于探測其他金屬離子和小分子。此 外，基于電化學方法便宜、容易使用和易于小型化的獨特優(yōu)點，本發(fā)明有望發(fā)展為一種可用 來評估環(huán)境污染和監(jiān)測環(huán)境修復的在線和實時探測鈾酰離子的便攜式商業(yè)傳感器。
【附圖說明】
[0041] 本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：
[0042] 圖1為鈾酰離子傳感器制作、檢測過程示意圖。
[0043] 圖2為不同濃度的鈾酰離子溶液的SWV圖。
[0044] 圖3為標準曲線圖。
[0045] 圖4為干擾離子測試結果圖。
【具體實施方式】
[0046] 本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0047] 本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的 替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子 而已。
[0048](一）原料
[0049] 本發(fā)明的