[发明专利]基于3D-HCR水凝胶的汞离子快速可视化检测方法

说明书

本发明提供一种基于3D‑HCR水凝胶的汞离子快速可视化检测方法。根据T碱基和Hg²⁺结合形成“T‑Hg²⁺‑T”碱基‑金属离子复合物，设计Hg²⁺诱导型的恒温指数扩增实现信号的识别与放大，结合DNA水凝胶与AuNPs实现信号的二次放大与可视化，整合建立一种检测Hg²⁺的宏量、可视化传感平台，实现了Hg²⁺的定性、定量检测。

技术领域

本发明涉及生物传感器技术领域，具体地说，涉及一种基于3D-HCR水凝胶的汞离子快速可视化检测方法。

背景技术

Hg²⁺是一种全球性重金属污染物。释放到环境中的Hg²⁺可在大气沉降和海洋环流的作用下进入淡水或海洋，并经过食物链的累积，最终对人类的生命健康造成威胁。因此，实现Hg²⁺的快速、灵敏检测对环境保护和人类健康具有重要意义。

与其他金属离子一样，Hg²⁺的检测方法也经历了由仪器分析到传感器检测的过程。仪器分析法包括原子吸收光谱法，原子发射光谱法，原子荧光光谱法和质谱法等。仪器分析法在灵敏度和准确性方面具有明显的优势，但昂贵的设备和繁琐的样品处理过程使其难以广泛应用。传感器检测法弥补了仪器分析法的不足。利用传感器检测的核心思路是构建敏感元件和换能元件。在搭建检测汞的传感器时，敏感元件利用汞与多种不同基团相互作用的性质实现了Hg²⁺的特异性捕获，如荧光基团、核酸、纳米粒子、肽、蛋白质、酶等。换能元件则将传感器对汞的识别信息转换成可检测的信号，实现Hg²⁺的定量检测。

与蛋白质相比，DNA具有许多理想的特性。首先，DNA易于进行化学合成且具有较低的合成成本；第二，DNA高度稳定，可以经过多次变性复性过程而不改变与金属离子结合的性质。第三，DNA高度可编辑，可以在DNA序列的多个位点进行化学修饰，从而增加金属离子与DNA的亲和力或特异性，对DNA序列的调整也使得传感器具有更好的通用性。根据Hg²⁺与胸腺嘧啶可以T-Hg²⁺-T的方式结合，研究人员利用T-Hg²⁺-T结构，建立了大量检测Hg²⁺的核酸传感器，或将该结构用于Hg²⁺诱捕，单核苷酸多态性(SNP)检测等。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于3D-HCR水凝胶的汞离子快速可视化检测方法。

本发明构思如下：通过构建基于恒温指数扩增技术(EXPAR)，三维杂交链式反应(3D-HCR)水凝胶和金纳米粒子(AuNPs)的Hg²⁺可视化检测的方法，实现了Hg²⁺的定性、定量检测。EXPAR是一种新型核酸扩增技术，能够在较短时间内(30min)，实现目标序列的扩增。本发明利用T-Hg²⁺-T结构对传统的EXPAR进行改造，构建Hg²⁺浓度响应型的EXPAR实现Hg²⁺识别，并将Hg²⁺的化学信号转化为核酸信号。EXPAR的扩增产物可以触发3D-HCR反应生成3D-HCR水凝胶。3D-HCR水凝胶是线性HCR在宏观领域的拓展，即在线性HCR的基础上，通过改变发夹的结构，使得发夹相互交联形成高度锁水的三维网络。同时，形成的3D-HCR水凝胶对AuNPs具有很好的束缚能力，且3D-HCR水凝胶对AuNPs的束缚能力取决于水凝胶的致密性，而水凝胶的致密性又取决于EXPAR扩增产物的浓度，最终取决于体系中的Hg²⁺的浓度，从而实现对Hg²⁺的快速和超灵敏检测。

为了实现本发明目的，第一方面，本发明提供一种汞离子响应型超快扩增可视化传感器，包括：(1)EXPAR扩增体系，(2)酶切体系，(3)3D-HCR及显色检测体系。

其中，所述EXPAR扩增体系包括模板链和底物链，任选包含双重扩增模板链：