[发明专利]一种荧光传感器在区分及检测金属离子上的应用

说明书

发明公开了一种基于DNA结合铽离子Tb构成的荧光传感器及在区分及检测金属离子上的应用，用时间分辨荧光的方法实现了大规模金属离子的区分及检测。首先，我们筛选出三段不同长度的富含鸟嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）的单链DNA作为配体通过天线作用敏化Tb构成荧光传感器（DNA/Tb）；进一步我们把DNA/Tb溶于缓冲溶液中再加入49金属离子，包括碱金属离子、碱土金属离子、过渡/后过渡金属离子和稀土金属离子。由于金属离子与DNA相互作用而影响天线作用，使得DNA/Tb在不同金属离子条件下获得不同的时间分辨荧光信号以及荧光寿命。最后用主成分分析（PCA）的方法分析获得的荧光信号和荧光寿命，实现了金属离子的区分和检测。该方法还实现了河水中的金属半定量检测。

技术领域

本发明属于荧光分析检测领域，特别涉及一种DNA结合铽离子的荧光传感器用免标记的时间分辨荧光及荧光寿命的方法实现了对大规模金属离子的区分及检测。

背景技术

生化物种的检测不仅是生物化学分析领域的关键，同时也在环境监测、食品安全、临床诊断等领域起着重要的作用。为此，荧光传感器因具有简单快速、实时监控、简单易懂、重现性好等优点而成为有效的检测工具。然而大多数的荧光传感器都会遭遇背景荧光的干扰，从而影响检测的灵敏度和响应范围。为有效消除背景荧光，理想方法就是时间分辨技术。时间分辨技术是利用时间域来把短寿命的自发光从长寿命的荧光中区分出来。目前，镧系金属衍生的荧光探针已经吸引了人们广泛的关注，由于其独特的光学性质，例如长的荧光寿命、狭窄的发射峰以及大的斯托克斯位移。这些性质都让稀土离子掺杂的荧光探针适用于时间分辨检测以此来消除背景荧光。

在传统的传感方法中，每分析一种检测物就需要一个传感器，从而就需要密集的劳动力开发很多种靶标特异性响应的传感器。考虑到这个问题，人们开始致力于基于模式识别的“化学鼻子/舌头”数组或微分集成的阵列传感器，通过一组传感元件的响应实现大量靶标的区分和检测。

金属离子与生命体有着千丝万缕的联系。金属离子的检测属于生化物种检测中重要的一部分。碱金属和碱土金属是很活泼的金属元素，这些生命元素在生物体内各司其职，维持着生命体的正常活动和推动着生命体的发展。例如，人体内的钾离子分布在细胞内液的，维持细胞内液和外液的的渗透压，稳定细胞的内部结构，参与神经信息的传递，维持心血管系统的正常功能，以及作为某些酶的激活剂参与许多重要的生理生化反应等。钠以离子的形式分布在细胞外液中，钾和钠共同作用，调节体内水分的平衡并使心跳规律化。锂离子可以引起肾上腺素及神经末梢的胺量降低，能明显影响神经递质的量。而重金属如铬，铅和汞等离子在体内的富集会严重威胁生命体的健康，如造成记忆丧失，学习缺陷，失明和耳聋，肾脏损伤和癌症等一系列严重问题，如铁离子，作为人体必需的微量元素，发挥着至关重要的作用，涉及血液中氧的运输，DNA合成，细胞扩散等众多重要的生命过程。铁离子的缺少或过量存在都会导致一些生理功能的缺失和疾病的发生，例如缺铁性贫血、高血压、不孕不育、中风等。稀土(RE)金属包括镧系元素和重金属元素越来越多的在工业中被使用，被这些金属离子污染的废水等的排放不仅会对人类和生态造成毁灭性的伤害，也会引发突变和癌症，其放射性对人类和生态造成毁灭性的伤害。因此，高灵敏度、高选择性的大规模监测和区分金属离子是至关重要的。

目前常规的方法如下所示：

原子吸收光谱法(AAS)；电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)；电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)；比色法；基于氧化石墨烯或者金纳米颗粒的荧光法等。

传统的金属离子区分和检测的方法一般需要昂贵的大型仪器，如ICP-AES来完成；而这个过程需要复杂的前期准备，对样品具有破坏性同时也会造成检测物的损失，在实时原位高通量快速检测方面存在着局限性，检测成本一般较高。除了大型仪器外，比色法、荧光法也被用到。但是目前这些方法只可以同时区分几种或者十几种金属离子，并不能做到大规模的区分的检测，同时也需要复杂的探针制备工作，不符合方法简单快速的趋势。

发明内容