基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法及应用

摘要

本发明公开了一种基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法及应用。该方法中设计两条探针，一条为捕捉探针，标记到磁珠表面，形成磁珠化探针；另一条与三联吡啶钌标记，形成电化学发光探针。由于两条探针的设计上存在T:T的错配结构，因此常温下两条探针在没有汞离子存在的情况下不会形成配对的双螺旋结构。当存在汞离子的情况下，由于错配的T:T与汞离子特异性的形成稳定的T-Hg2+-T配位复合物结构，因此汞离子能介导两条探针形成双螺旋的结构。这样磁珠化探针就能够在汞离子存在下捕捉电化学发光探针在其表面，接着通过磁珠分离、电化学发光检测就可以检测汞离子。本发明特异性和灵敏度均高，有利于定性和定量测量汞离子。

权利要求

1.一种基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）设计两条DNA探针序列，称为DNA捕捉探针1和DNA探针2；

（2）将DNA捕捉探针1标记在表面功能化磁珠上，形成磁珠化DNA捕捉探针1；将DNA探针2与活化的三联吡啶钌共标记，形成电化学发光DNA探针2；

（3）将步骤（2）得到的磁珠化DNA捕捉探针1和电化学发光DNA探针2在pH值为6～

8的缓冲液中混合后加入待检样品，反应，为实验组；同时将磁珠化DNA捕捉探针1和电化学发光DNA探针2在pH值为6～8的缓冲液中混合，加入与待检样品等体积的去离子水，反应，得到对照组；

（4）分别将实验组和对照组中的磁珠分离出来，得到含有杂交产物的磁珠，将其置于电化学发光检测仪检测样品池中，接着往样品池中加入三丙胺或二丁基乙醇胺，检测样品池中的三联吡啶钌复合物产生的电化学发光信号；对比实验组和对照组的电化学发光信号，当实验组的电化学发光信号不仅大于对照组的电化学发光信号，也大于三倍标准偏差之和的信号时，即待检样品中含有汞离子；

步 骤（1） 中 所 述 的 DNA 捕 捉 探 针 1 为 5’-NH2-AAAAAAAAAAAA AAAAAAAATTCGTGTTGTGTTCG-3’；所述的DNA探针2为5’- NH2-CGTTCTCAACTCGTA-3’；

步骤（3）中所述缓冲液的作用为以维持反应体系的pH值为6～8，且汞离子在缓冲液中为离子状态。

2.根据权利要求1所述基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法，其特征在于：步骤（2）中所述表面功能化磁珠为表面羧基化磁珠、表面氨基化磁珠、表面包被链霉亲和素磁珠、金表面包被的磁珠、表面环氧基化磁珠、或者表面硅醇基磁珠。

3.根据权利要求1所述基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法，其特征在于：步骤（2）中所述活化的三联吡啶钌为N-羟基琥珀酰亚胺酯活化的三联吡啶钌。

4.根据权利要求1所述基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法，其特征在于：步骤（3）中所述的磁珠化DNA捕捉探针1和所述的电化学发光DNA探针2按照如下比例混合：100～300µg:10～30pmol。

5.根据权利要求1所述基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法，其特征在于：所述的缓冲液为MOPS缓冲液、HEPES缓冲液或者Tris-acetate 缓冲液。

6.根据权利要求1所述基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法，其特征在于：步骤（3）中所述的反应的条件为反应温度为10～40℃，反应时间为10～60min。

7.权利要求1～6任一项所述基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法的应用，其特征在于：所述的方法用于定性检测汞离子。

8.根据权利要求7所述基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法的应用，其特征在于：所述的方法用于定量检测汞离子。

说明书

基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法及应用

技术领域

[0001] 本发明属于环境污染物检测技术领域，特别涉及一种基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法及应用。

背景技术

[0002] 随着现代工业的发展，重金属污染对人类和环境造成越来越严重的危害。汞由于其独特的化学物理特性能而被广泛的应用于各种工业生产流程中，如电子产业，采矿业，农药，机械，造纸业等，在工业生产中，汞大都转化为汞阳离子而被排放到自然界，从而使汞离子成为一种主要的环境污染物。环境中的无机汞离子可在一定条件下由生物体转化为甲基汞。无机汞主要影响肾脏，而甲基汞主要侵害人体的神经性系统。两者均可通过食物链在生物组织中高度累积，而且汞离子一旦进入人的身体难以代谢，因此一旦汞离子在身体中产生累积，则会发生中毒现象，甚至会危害到人的生命。美国环保总署EPA新颁布了EPA1631标准以取代EPA24511和EPA24517，欧盟也制定了相应的ENI3506更新痕量汞的检测标准。这些标准中对汞的检测下限比原来的标准降低了400倍，其中在水中能允许检测到的最大浓度为10nmol/L。

[0003] 汞离子检测的标准方法主要包括原子吸收光谱、原子发射光谱、冷原子荧光光谱法、ICP-AES、X射线荧光光谱法等。然而，这些方法均依赖大型仪器，成本比较高，需要熟练的操作人员，需要进行大量的样品预处理，因而不能满足实际环境监测中高效低成本的需要。另外一些新型的汞离子检测方法也在近年来得到发展，比如基于汞离子与有机试剂直接或间接络合原理产生吸光度变化的光化学分析技术、基于汞离子的氧化还原性质的电化学传感器技术等。相对于传统方法，这些方法具有简单经济、快速及高灵敏性的优势，但是却都有选择性局限的缺点，而在生态环境中，痕量的汞离子总是伴随着大量的其他离子的存在，因此发展高灵敏且高选择性的汞离子检测方法对环境检测以及食品安全监测具有重要的意义。

发明内容

[0004] 为了克服现有的汞离子检测方法存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法。

[0005] 本发明的另一目的在于提供所述方法的应用。

[0006] 本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法，包括以下步骤：

[0007] (1)设计两条DNA探针序列，称为DNA捕捉探针1和DNA探针2，DNA捕捉探针1和DNA探针2之间设计一对或者数对T:T错配，其余序列遵循碱基互补配对原则；DNA捕捉探针1的5′端或3′端还含有能发生化学偶联反应的基团；DNA探针2的5′端或者3′端上含有氨基；

[0008] (2)将DNA捕捉探针1标记在表面功能化磁珠上，形成磁珠化DNA捕捉探针1；将DNA探针2与活化的三联吡啶钌共标记，形成电化学发光DNA探针2；

[0009] (3)将步骤(2)得到的磁珠化DNA捕捉探针1和电化学发光DNA探针2在pH值为6～8的缓冲液中混合后加入待检样品，反应，为实验组；同时将磁珠化DNA捕捉探针1和电化学发光DNA探针2在pH值为6～8的缓冲液中混合，加入与待检样品等体积的去离子水，反应，得到对照组；

[0010] (4)分别将实验组和对照组中的磁珠分离出来，得到含有杂交产物的磁珠，将其置于电化学发光检测仪检测样品池中，接着往样品池中加入三丙胺或二丁基乙醇胺，检测样品池中的三联吡啶钌复合物产生的电化学发光信号；对比实验组和对照组的电化学发光信号，当实验组的电化学发光信号不仅大于对照组的电化学发光信号与其三倍标准偏差之和的信号时，即可判断待检样品中含有汞离子。

[0011] 步骤(1)中所述设计两条DNA探针序列遵循下列原则：A、两条探针的配对长度为10～30个碱基；B、两条探针中G:C配对数目不超过总配对数目的50％；C、两条探针中T:T错配数目不低于总配对数目的10％；

[0012] 所述的DNA捕捉探针1优选为5’-NH2-AAAAAAAAAAAAAAAAAAAATTCGTGTTGTGTTCG-3’；

[0013] 所述的DNA探针2优选为5’-NH2-CGTTCTCAACTCGTA-3’；

[0014] 步骤(1)中所述DNA捕捉探针1的5′端或者3′端优选添加聚合鸟嘌呤(A)片段(10～20个碱基长度)，以减少DNA捕捉探针与电化学发光探针杂交过程中可能存在的位阻效应；

[0015] 步骤(1)中所述能发生化学偶联反应的基团优选为羧基、氨基、巯基、或者生物素；

[0016] 步骤(2)中所述表面功能化磁珠为表面羧基化磁珠、表面氨基化磁珠、表面包被链霉亲和素磁珠、金表面包被的磁珠、表面环氧基化磁珠、或者表面硅醇基磁珠；

[0017] 步骤(2)中所述的表面功能化磁珠为表面羧基化磁珠时，优选通过碳化二亚胺盐酸盐先对表面羧基化磁珠的对羧基进行活化，然后再与DNA捕捉探针1上的氨基反应，形成磁珠化DNA捕捉探针1；

[0018] 步骤(2)中所述活化的三联吡啶钌为N-羟基琥珀酰亚胺酯活化的三联吡啶钌；

[0019] 所述的N-羟基琥珀酰亚胺酯活化的三联吡啶钌的制备步骤同Magnetic Beadand Nanoparticle Based Electrochemiluminescence Amplification Assay for Directand Sensitive Measuring of Telomerase Activity，Analytical Chemistry，81(1)，255-261；

[0020] 所述将DNA探针2与活化的三联吡啶钌共标记的制备过程同Magnetic Beadand Nanoparticle Based Electrochemiluminescence Amplification Assay for Directand Sensitive Measuring of Telomerase Activity，Analytical Chemistry，81(1)，255-261；

[0021] 步骤(3)中所述的磁珠化DNA捕捉探针1和所述的电化学发光DNA探针2优选按照如下比例混合：100～300μg∶10～30pmol；

[0022] 步骤(3)中所述缓冲液的作用为以维持反应体系的pH值为6～8，且缓冲液的成分不能与汞离子发生螯合反应、络合反应或者沉淀反应等反应，即汞离子在缓冲液中为离子状态；

[0023] 所述的缓冲液优选为MOPS缓冲液、HEPES缓冲液或者Tris-acetate缓冲液；

[0024] 所述MOPS缓冲液的使用终浓度优选如下：10mM MOPS，100mM NaNO3，pH值为7.5；

[0025] 所述HEPES缓冲液的使用终浓度优选如下：10mM Hepes，100mM NaNO3，pH值为7.4；

[0026] 所述Tris-acetate缓冲液的使用终浓度优选如下：10mM Tris-acetate，100mMNaNO3，pH值为7.4；

[0027] 步骤(3)中所述的反应的条件优选为反应温度为10～40℃，反应时间为10～60min；

[0028] 步骤(4)中所述的分离优选为通过磁分离器分离；

[0029] 步骤(4)中所述的电化学发光检测仪优选为申请日为2002年5月20日、专利号为02227608.4、发明名称为电化学发光检测仪的国家专利中所述的电化学发光检测仪；

[0030] 步骤(4)中三丙胺或二丁基乙醇胺的加入量不得少于样品池的1/2体积。

[0031] 所述基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法应用于定性和/或定量检测汞离子，特别适用于检测痕量汞离子的存在。

[0032] 本发明的原理：该方法的基本原理为汞离子能与脱氧核糖核酸(DNA)中胸腺嘧啶2+ 2+
(T)高度特异性结合所形成的稳定的T-Hg -T配位复合物结构。这种特殊的T-Hg -T配位
2+
复合物结构通过汞离子特异性的与T上的第三个N发生质子取代形成的。T-Hg -T的稳定性类似于传统的沃森-克里克配对结构，且有类似的热稳定性。而且，三联吡啶钌探针的灵敏度极其高。因此，电化学发光结合磁珠技术可导致检测灵敏度更高、检测过程更加简单，并且有将操作过程实现自动化的潜能。

[0033] 本方法设计两条汞离子特异的基因探针，两条探针为短片段DNA序列(约10-30个碱基长度)，两条探针除了其中有一对或者数对T:T错配之外，其他序列组成遵循碱基互补配对原则完全配对，由于两条探针存在一定数目的T:T错配对，因此两条探针在室温状况、没有汞离子存在的情况下不能形成DNA双螺旋结构，因此在液相里面应该处于分离状2+
态。而当有汞离子存在的条件下，汞离子与两条基因探针中的T:T错配对形成T-Hg -T配位化学键，这样则导致两条基因探针在室温下形成稳定的双螺旋结构，紧密的结合在一起。
在本方法中，通过将其中一条DNA捕捉探针在5′端或者3′端修饰活性的基团(氨基、羧基、巯基、或者生物素化等)，这样与功能化的磁珠(羧基化、氨基化、金包被、或者链霉亲和素包被的磁珠)通过化学键或者亲和作用形成磁珠化的基因探针。另一条基因探针在其
5′端或者3′端修饰氨基，通过酰胺反应，与活化的三联吡啶钌分子共价标记形成电化学发光探针。在室温下，无汞离子存在的情况下磁珠化的基因探针与电化学发光探针因存在T-T错配不形成双螺旋结构。当存在汞离子情况下，磁珠化的基因探针与电化学发光探针通
2+
过汞离子介导形成形成T-Hg -T配位化学键，因此形成稳定的双螺旋结构。因此，汞离子介导的探针杂交后磁珠表面可携带大量钌探针，通过磁分离磁珠，游离的钌探针以及其他非特异的产物能够被分离洗脱掉。在一定电压条件下，三联吡啶钌/三丙胺或者三联吡啶钌/二丁基乙醇胺能够在电极表面发生电化学反应并发出光子。光子经过光纤收集到光电倍增管中，然后将其转化为电信号，经过模式转换器转化为数字信号，经计算机采集处理。通过判断电化学发光强度来检测汞离子的有无(原理图如图1所示)。本发明不仅可以检测到汞离子的有无，而且可以通过标准汞离子曲线的建立，测得待检样品中汞离子的浓度。

[0034] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

[0035] (1)本发明的所采用的方法与传统的光谱学方法相比，特异性更好，因为只有汞离子才能特异性的稳定T:T错配结构。

[0036] (2)本发明所使用的电化学发光检测技术灵敏度很高，而且由于本方法所用的电化学发光探针只发生特异性的化学发光反应，所以测量的准确性也很高。

[0037] (3)本发明把汞离子特异的探针标记在磁珠上，从而在检测的时候产生磁富集的效果，进一步提高灵敏度。由于采用磁珠技术，本方法有望实现自动化。

[0038] (4)本发明与传统光谱方法相比，更为快速。

[0039] (5)本发明所利用的检测装置简单，投资少，实现容易，操作简便。

附图说明

[0040] 图1为本发明所述基于磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子的方法的原理图。

[0041] 图2为实施例所述的电化学发光检测仪的装置示意图。

[0042] 图3为本发明所述的方法检测不同浓度汞离子的图，其中

[0043] A为发光信号图；B为标准曲线图。

[0044] 图4为本发明检测汞离子以及其他金属离子的发光信号图。

具体实施方式

[0045] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0046] 实施例1

[0047] 将本发明的方法应用于汞离子检测。

[0048] (1)设计两条DNA探针序列，如表1所示，通过上海生工生物工程技术有限公司合成。

[0049] 表1DNA探针序列

[0050]

[0051] (2)A、磁珠化DNA捕捉探针1的制备：取100μl羧基修饰的磁珠(粒径2.8μm，浓度10mg/ml)(天津倍思乐公司的Affimag PSC)，用200μl咪唑缓冲液(浓度100mM，pH7.0)洗涤三次；往洗涤干净后的磁珠中加入500μl咪唑缓冲液(浓度100mM，pH7.0，含有
30mM碳化二亚胺盐酸盐(EDC))，300rpm振荡30分钟，使羧基与EDC发生连接反应，活化羧基；将活化的磁珠用200μl的咪唑缓冲液(浓度100mM，pH 7.0)洗涤三次，再往里加入
100μL 500nM DNA捕捉探针1(如表1所示)，37℃下300rpm振荡2小时，过滤，得到固体物。接着再用200μl MOPS缓冲液(0.1M NaNO3，10mM MOPS buffer(pH 7.5))洗涤固体物三次，将固体物重悬于200μl MOPS缓冲液中得到磁珠化DNA捕捉探针1。

[0052] B、电化学发光DNA探针2的制备：将DNA探针2与活化的三联吡啶钌共标记，形成电化学发光DNA探针2。具体的制备过程同(Magnetic Bead andNanoparticle Based Electrochemiluminescence Amplification Assay for Direct andSensitive Measuring of Telomerase Activity.Analytical Chemistry，81(1)，255-261.)。

[0053] (3)按表2将各物质混合，得到实验组和对照组(10个平行)，其中实验组的汞离子样品按照5倍比稀释，2XMOPS缓冲液为含有0.2M NaNO3和20mM MOPS buffer，pH值为7.5，各物质混合后轻微振荡放置30分钟。

[0054] 表2实验组和对照组的成分

[0055]磁珠化DNA捕捉探 电化学发光DNA探针 汞离子样 水 2XMOPS缓冲
针1 2 品 液
实验组 10μl 10μl 10μl - 30μl
对照组 10μl 10μl - 10μl 30μl

[0056] (4)分别通过磁分离器将实验组和对照组中的磁珠分离出来，用MOPS缓冲液(0.1M NaNO3，10mM MOPS buffer，pH 7.5)洗涤三次，取沉淀，得到含有杂交产物的磁珠，将其置于如图2所示的电化学发光检测仪(包括样品池、恒电位仪2、光纤3、光电倍增管4、模数转换器5、微型计算机6和数据处理软件；其中样品池由进样管1-1、对电极1-2、工作电极1-3、参比电极1-4、出样管1-5组成。样品池可以用清洗液反复清洗)的检测样品池中，接着往样品池中加入100μl三丙胺缓冲液(200mM phosphate，0.8μM TritonX-100，0.4mMTween 20，100mM TPA，pH 8.0)，给定电压1.25V，打开光电倍增管，电化学发光检测。
测定对照组10个平行，计算10个平行的电化学发光信号平均值以及相对标准偏差。测定不同浓度的汞离子样品，当汞离子样品电化学发光信号大于对照样品信号与其三倍标准偏差之和的信号时可判断样品为含有汞离子的样品。

[0057] 如图3A所示，是本实施例中用磁珠电化学发光基因传感器检测不同浓度汞离子的电化学发光信号图，由图可知当汞离子浓度低到5纳摩尔时电化学发光信号依然显著大于对照信号与其三倍标准偏差之和，因此可以判断本发明检测汞离子具有非常好的灵敏度。图3B表明本方法在5-250纳摩尔汞离子浓度范围内有较好的线性关系。

[0058] 如图4所示为本实施例中用磁珠电化学发光基因传感器检测汞离子和其他离子的电化学发光信号图，由图可知，当检测银离子，铜离子，铁离子与亚铁离子，铅离子等其他离子的时候，电化学发光信号远远低于检测汞离子的信号，因此其他离子没有干扰，由此可判断本发明的方法检测汞离子具有非常好的特异性。

[0059] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。