[发明专利]一种基于纯DNA功能水凝胶的有害金属离子检测方法

说明书

本发明公开了一种基于纯DNA功能水凝胶的有害金属离子免标记检测方法，包括：步骤1：设计两条DNA单体序列，分别包含目标金属离子的DNAzyme和酶切底物，并含有三段互补片段；步骤2：将两条单体序列混合杂交制备纯DNA水凝胶；步骤3：将目标金属离子溶液与纯DNA水凝胶反应，使DNA水凝胶骨架中特定的DNAzyme被激活并切断底物序列，破坏水凝胶结构，释放出核酸碎片，然后直接测量上清溶液中核酸碎片的本征紫外吸收信号，实现对目标金属离子浓度的检测。本发明建立的纯DNA水凝胶免标记检测金属离子方法简单便携、经济直观，解决了现有技术中功能水凝胶的制备和修饰过程复杂、需要封装或包埋信号标记物、每个样品都需要大量的DNA材料和标记物导致使用成本高等问题。

技术领域

本发明涉及有害金属检测领域，具体涉及一种基于纯DNA功能水凝胶的有害金属离子免标记检测方法。

背景技术

随着现代工业活动的日益频繁，有毒重金属污染及其造成的环境污染和健康问题已成为世界性的重大难题。重金属离子如铅离子、汞离子、铀酰离子等是严重的高毒性金属离子，即使在低浓度下也会对人体尤其是儿童造成严重危害。因此，检测有毒重金属离子非常重要。

目前，在实际应用中，常用的分析方法主要有原子吸收光谱法(AAS)、阳极溶出伏安法 (ASV)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、X射线荧光光谱法(XRF)等。这些方法对金属离子的检测灵敏度高、准确性好，但大多需要专业的仪器设备和复杂的样品制备流程，从而限制了它们在现场、临床等快速测量场景中的应用。因此，开发快速、简便、经济的金属离子传感技术十分必要。

DNAzyme是通过体外筛选技术(SELEX)获得的具有与蛋白酶类似催化活性的单链DNA。相比蛋白酶，DNAzyme具有稳定性高、人工合成简单快捷、活性高等特点。金属离子如Pb²⁺、 UO₂²⁺、Zn²⁺、Ag⁺、Cr³⁺以及镧系金属离子等是DNAzyne的特异性辅助因子，与这些金属辅助因子结合后，DNAzyme的酶催化活性被激活，可以将底物序列切断。利用DNAzyme作为金属离子的特异性识别探针和信号放大元件，研究者建立了一系列优异的金属离子生物传感分析方法，包括电化学、表面增强拉曼散射(SERS)、荧光、微流体以及比色法检测等。然而，这些方法大都需要对目标输出进行光学的、电学的或其他类型的信号标记，增加了传感器设计难度和使用成本。

近年来，刺激响应型DNA水凝胶以其简单、灵敏、便携、易于存储等优点，在生物传感应用中受到了广泛关注。在典型的DNA水凝胶应用中，首先使用合成聚合物(如聚丙烯酰胺)作为支架，再使用含有功能核酸序列(如适配体、DNAzyme、i-motif、G-四链体等) 的DNA作为交联剂和反应活性单元，构建功能水凝胶以对外界刺激如pH值、金属离子、小分子、蛋白质、病毒以及毒素等产生响应。提前将信号标记物封装于水凝胶中，当遇到响应目标时，水凝胶发生解离并释放出信号标记物，进而产生敏感的可探测信号[Gacanin J,Synatschke C V,Weil T.Biomedical applications of DNA-based hydrogels[J].Advanced Functional Materials,2020,30(4):1906253]。这些方法灵敏度高、选择性强，但这些功能水凝胶的制备和修饰过程都很复杂，且信号标记物的封装或包埋过程必不可少，也同时造成每个样品都需要大量的DNA水凝胶，增加了使用成本。

因此，为了提高这类有害金属离子的检测性能和实际应用能力，仍需要发展免标记的简单便携、经济直观的检测方法。

发明内容

本发明提供了一种基于纯DNA功能水凝胶的有害金属离子检测方法，可实现免标记定量的同时快速检测目标金属离子浓度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于纯DNA功能水凝胶的有害金属离子免标记检测方法，包括以下步骤：