基于DNA生物傳感器的循環(huán)放大方法檢測大米中的重金屬離子

1.引言

傳統(tǒng)的食品安全檢測手段，如化學分析、微生物培養(yǎng)等，雖然在一定程度上能夠保障食品安全，但存在檢測周期長、操作繁瑣、靈敏度不高等問題，難以滿足現(xiàn)代食品安全監(jiān)管的需求。因此，發(fā)展快速、靈敏、準確的食品安全檢測技術(shù)顯得尤為重要。

近年來，生物傳感器技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢在食品安全檢測領(lǐng)域嶄露頭角。生物傳感器是一種將生物識別元件與物理或化學換能器相結(jié)合的分析裝置，它能夠通過生物識別元件與待測物質(zhì)之間的特異性相互作用，將生物信號轉(zhuǎn)換為可測量的物理或化學信號，從而實現(xiàn)對待測物質(zhì)的快速檢測。在食品安全檢測中，生物傳感器技術(shù)被廣泛應用于農(nóng)藥殘留、重金屬污染、微生物污染等方面的檢測，展現(xiàn)出了巨大的應用潛力和發(fā)展前景。

此外，隨著生物技術(shù)的不斷進步，DNA生物傳感器作為生物傳感器的一個重要分支，也在食品安全檢測中發(fā)揮著越來越重要的作用。DNA生物傳感器利用DNA分子作為識別元件，通過DNA與靶分子之間的特異性結(jié)合，實現(xiàn)對靶分子的高靈敏度檢測。這種技術(shù)不僅具有快速、靈敏、準確等優(yōu)點，還能夠?qū)崿F(xiàn)多組分同時檢測，為食品安全檢測提供了新的思路和方法。本文旨在探討生物傳感器技術(shù)在食品安全檢測中的應用。同時，本文還將關(guān)注食品安全檢測中的其他熱點問題，如重金屬離子的吸附處理、大米的品質(zhì)控制等，以期為食品安全檢測技術(shù)的發(fā)展提供有益的參考和借鑒。

2.理論概述

2.1 大米中重金屬離子的檢測方法概述

大米作為人們?nèi)粘ｏ嬍车闹匾M成部分，其安全性備受關(guān)注。重金屬離子污染是影響大米品質(zhì)和安全性的重要因素之一。因此，對大米中重金屬離子的檢測顯得尤為重要。目前，針對大米中重金屬離子的檢測方法多種多樣，主要分為傳統(tǒng)檢測方法和新型檢測技術(shù)兩大類。

傳統(tǒng)檢測方法中，原子吸收光譜法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法是最具代表性的兩種。原子吸收光譜法具有高靈敏度、高選擇性及較好的精密度，能夠直接測定大米中的多種重金屬元素，包括低含量、微量、痕量甚至超痕量元素。其中，火焰原子吸收法操作簡便，分析速度快，適用于大多數(shù)無機元素的定量分析；而石墨爐原子吸收法則具有更高的靈敏度和精確度，更適用于復雜基體樣品如大米的分析，但操作相對繁瑣，且可能存在光譜干擾問題。

電感耦合等離子體質(zhì)譜法則是目前分析靈敏度最高的方法之一，能夠同時分析大米中的多種重金屬元素，具有極高的選擇性和精密度，特別適用于極低濃度重金屬離子的檢測。然而，該方法設(shè)備昂貴，維護保養(yǎng)復雜，對操作人員的技術(shù)要求較高，且在樣品前處理上耗時較長，需要消耗大量化學試劑。

2.2 DNA生物傳感器技術(shù)原理與發(fā)展

DNA生物傳感器是一種基于DNA分子的傳感器，它利用DNA分子的特異結(jié)構(gòu)和生物功能，實現(xiàn)對特定物質(zhì)的檢測和分析（如圖1）。DNA生物傳感器的核心原理在于DNA分子的識別和信號轉(zhuǎn)換。DNA分子具有堿基互補配對的特性，當其與目標物質(zhì)發(fā)生特異性結(jié)合時，會引起DNA分子的構(gòu)象改變或產(chǎn)生新的化學反應，這些變化進而被轉(zhuǎn)換為可測量的信號，從而實現(xiàn)目標物質(zhì)的檢測和分析。DNA生物傳感器通常由以下幾個主要部分組成。

（1）探針：探針是DNA生物傳感器的核心元件，通常由一段已知核苷酸序列的單鏈DNA分子構(gòu)成。探針通過固定在傳感器表面，與目標物質(zhì)發(fā)生特異性配對。

（2）信號轉(zhuǎn)換器：信號轉(zhuǎn)換器負責將目標物質(zhì)與探針結(jié)合后產(chǎn)生的物理或化學變化轉(zhuǎn)換為可測量的信號。這些信號可以是電信號、光信號、聲信號等，具體取決于傳感器的類型和設(shè)計。

（3）檢測器：檢測器接收并解讀信號轉(zhuǎn)換器輸出的信號，進而得出目標物質(zhì)的檢測結(jié)果。檢測器通常與信號轉(zhuǎn)換器緊密配合，確保信號的準確測量和解讀。

圖1 DNA生物傳感器示意圖

循環(huán)放大技術(shù)是一種提高DNA生物傳感器檢測靈敏度的重要方法。通過引入循環(huán)放大策略，可以實現(xiàn)對目標物質(zhì)信號的顯著放大，從而提高傳感器的檢測下限和準確性。近年來，循環(huán)放大技術(shù)在DNA生物傳感器中的應用取得了顯著進展。一是催化發(fā)夾自組裝循環(huán)放大：CHA循環(huán)放大策略通過目標物誘導發(fā)夾DNA結(jié)構(gòu)的打開和重新閉合，形成大量的雙鏈DNA產(chǎn)物，從而實現(xiàn)信號的顯著放大。這種策略已被廣泛應用于DNA生物傳感器的構(gòu)建中，用于檢測各種生物標志物和病原體。二是酶剪切循環(huán)放大：酶剪切循環(huán)放大策略利用核酸酶對特定DNA序列的剪切作用，實現(xiàn)目標物信號的循環(huán)放大。通過引入具有剪切活性的核酸酶，可以在目標物存在的情況下不斷剪切DNA探針，釋放出更多的信號分子，從而提高傳感器的檢測靈敏度。三是雜交鏈式反應循環(huán)放大：HCR循環(huán)放大策略通過設(shè)計特定的DNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)，在目標物存在的情況下觸發(fā)連續(xù)的雜交反應，形成長鏈DNA聚合物。這種長鏈DNA聚合物可以攜帶大量的信號分子，從而實現(xiàn)信號的顯著放大。HCR循環(huán)放大策略已被成功應用于多種DNA生物傳感器的構(gòu)建中。

3.實驗步驟與方法

3.1 實驗材料的準備

大米樣品的選擇對于實驗結(jié)果的準確性和實用性至關(guān)重要。因此，大米樣品應來源于具有代表性的生產(chǎn)區(qū)域或市場，以確保實驗結(jié)果的普遍性和可推廣性。具體來源可以是當?shù)刂霓r(nóng)田、大型超市或研究機構(gòu)提供的標準樣品，這些樣品能夠較好地反映大米中重金屬離子的實際污染情況。

在處理大米樣品時，首先需要進行徹底的清洗，以去除表面的塵土和雜質(zhì)，避免對后續(xù)的重金屬檢測造成干擾。清洗后的大米樣品需要置于干燥箱中，在適宜的溫度下烘干至恒重，以確保樣品中的水分不會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。隨后，將干燥后的大米樣品使用研磨機或球磨儀粉碎至均勻細小的顆粒，以便于后續(xù)的重金屬提取和分析。對于需要檢測的重金屬元素，通常還需要對大米樣品進行消解處理，以將大米中的重金屬元素轉(zhuǎn)化為可溶性的離子形態(tài)，便于后續(xù)的測定。

3.2 DNA生物傳感器的構(gòu)建

3.2.1傳感器基底的制備與修飾

傳感器基底是DNA生物傳感器的核心組成部分，其制備和修飾對于傳感器的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。通常，基底材料需要具有良好的生物相容性、化學穩(wěn)定性和導電性。常用的基底材料包括金、銀、玻璃和硅等。在制備過程中，需要對基底進行清洗和活化處理，以確保其表面干凈且易于修飾。隨后，通過化學或物理方法將特定的功能分子修飾到基底表面，如自組裝單層、聚合物膜或生物分子等，這些功能分子可以為DNA探針的固定提供穩(wěn)定的錨點。

3.2.2 DNA探針的固定

DNA探針是DNA生物傳感器的識別元件，其設(shè)計需要具有特異性，以便與目標重金屬離子進行結(jié)合。探針的固定是構(gòu)建傳感器的關(guān)鍵步驟之一。通常，探針的一端通過化學鍵合或物理吸附作用固定在傳感器基底上，而另一端則保持自由狀態(tài)，用于與目標分子進行特異性結(jié)合。固定過程中需要控制探針的密度和取向，以確保傳感器具有高的靈敏度和選擇性。

3.2.3雜交鏈式反應的引發(fā)

雜交鏈式反應是一種基于DNA自組裝的信號放大技術(shù)，可以在無酶條件下實現(xiàn)DNA的快速擴增。在DNA生物傳感器中，HCR的引發(fā)是通過加入特定的引發(fā)劑來實現(xiàn)的。引發(fā)劑與固定在基底上的DNA探針結(jié)合后，可以觸發(fā)一系列的DNA雜交和鏈式反應，導致大量的DNA雙鏈結(jié)構(gòu)在基底上形成。這些雙鏈結(jié)構(gòu)可以作為信號輸出的基礎(chǔ)，通過檢測其數(shù)量或形態(tài)變化來實現(xiàn)對目標重金屬離子的定量或定性分析。

3.3 循環(huán)放大反應體系

HCR反應條件的優(yōu)化是確保反應高效進行并獲得穩(wěn)定可靠信號的關(guān)鍵步驟。優(yōu)化內(nèi)容通常包括以下幾個方面：一是反應溫度與時間：HCR反應在適當?shù)臏囟认逻M行可以加速DNA鏈的雜交速率，但過高的溫度可能導致DNA變性。因此，需要根據(jù)具體實驗條件選擇合適的反應溫度，并確定最佳的反應時間，以確保HCR反應充分進行。二是反應緩沖液：緩沖液的pH值、離子強度和組成成分對HCR反應的效率有重要影響。優(yōu)化緩沖液的條件可以提高DNA鏈之間的雜交效率，減少非特異性結(jié)合，從而獲得更強的信號輸出。三是DNA探針濃度：探針濃度直接影響HCR反應的起始速度和最終產(chǎn)物量。通過調(diào)整探針濃度，可以找到最佳的反應條件，使得HCR反應在保持高特異性的同時，實現(xiàn)信號的最大放大。四是引發(fā)劑設(shè)計：引發(fā)劑的設(shè)計對HCR反應的啟動和效率至關(guān)重要。優(yōu)化引發(fā)劑的結(jié)構(gòu)和序列，可以使其更穩(wěn)定地結(jié)合到目標物上，并有效觸發(fā)HCR反應鏈。

電化學或電致化學發(fā)光信號檢測系統(tǒng)是實現(xiàn)DNA生物傳感器定量檢測的重要工具。其搭建過程通常包括以下幾個步驟：一是電極選擇與修飾：根據(jù)實驗需求選擇合適的電極材料（如金電極、玻碳電極等），并通過化學或物理方法對電極表面進行修飾，以提高其導電性和生物相容性。修飾層可以包括自組裝單層、導電聚合物或納米材料等，以增強電極與DNA探針之間的相互作用。二是信號轉(zhuǎn)換與放大：將HCR反應產(chǎn)生的DNA雙鏈結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可檢測的電化學或電致化學發(fā)光信號。這通常通過引入電活性物質(zhì)（如氧化還原標記物）或發(fā)光物質(zhì)（如魯米諾、量子點等）來實現(xiàn)。電活性物質(zhì)在電極表面發(fā)生氧化還原反應產(chǎn)生電流信號，而發(fā)光物質(zhì)則在特定條件下發(fā)出光信號。三是信號檢測與分析：利用電化學工作站或光電倍增管等儀器對產(chǎn)生的信號進行檢測和分析。通過記錄和分析信號強度與目標物濃度之間的關(guān)系，可以建立定量檢測模型，實現(xiàn)對目標物的準確測定。

綜上所述，HCR反應條件的優(yōu)化以及電化學或電致化學發(fā)光信號檢測系統(tǒng)的搭建是構(gòu)建高靈敏度DNA生物傳感器的關(guān)鍵步驟。通過精細調(diào)控這些條件，可以顯著提升傳感器的性能和應用范圍。

結(jié)語

DNA生物傳感器作為一種新興的檢測技術(shù)，在重金屬離子檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力和應用前景。通過對大米樣品的預處理與重金屬離子的有效提取，結(jié)合DNA生物傳感器的高靈敏度和特異性檢測步驟，能夠?qū)崿F(xiàn)對大米中重金屬離子的準確、快速測定。這種方法不僅操作簡便、成本較低，而且具有較高的準確性和可靠性，為食品安全和環(huán)境監(jiān)測提供了有力的技術(shù)支持。展望未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，DNA生物傳感器有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應用，為人們的生活和健康保駕護航。

基金項目

2023 年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力 提升項目《基于生物傳感的重金屬靈敏快速檢測方法研究 》研究成果（項目編號：2023KY1584 ）。

作者簡介

黃紅云（1991.02-），女，漢族，廣西玉林人，碩士研究生，講師，工程師；研究方向：食品安全、化工安全、分析檢測。

*通訊作者

王有泉（1988.03-），男，壯族，廣西南寧人，本科，講師，工程師；研究方向：食品安全、化工安全。