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金质传感器有望即时检测水中污染物

更新日期:2016-03-22      点击次数:872

  美国内布拉斯加大学林肯分校(UniversityofNebraska-Lincoln;UNL)的研究人员开发出一系列的金属探测生物传感器,其中包括一款金质传感器。这种金质传感器是在纸带上制造出相当于石蕊试纸条的大小,专为满足低成本、便于携带且能重复使用的需求而设计。

  内布拉斯加大学林肯分校化学系副教授RebeccaLai正致力于在各种不同的发展阶段研究能够检测汞、银或铂的传感器。类似的技术还可应用于寻找镉、铅、砷或其他的金属与非金属。这些传感器的主要目的在于检测水中的污染物。

  研究人员们希望,有一天人们不必再将水质样本送到实验室进行费时的检测,只需使用生物传感器定期地监测家庭供水中是否出现铅、汞、砷或其他危险的污染物。

  DNA探针固定在包含于线圈的金属(金)电极。从晶体中央加入约10微升(ul)的水质样本至传感器进行检测。附加于接触焊垫的白、绿和红色导线连接至手持式电源

  Source:NortheasternUniversity

  RebeccaLai正是致力于寻找更佳新方法的科学家之一。贵金属不仅具有美观与经济价值,在医疗与科学应用上也有越来越多的需求,包括用于抗癌药物、治疗肺结核和风湿性关节炎的药物等。

  “对于采矿产业来说,为了采金进行地球化学探勘变得越来越重要,”Lai解释,“而这需要开发出能在复杂的生物与环境样本中辨识与量化金元素的灵敏、可选且具成本效益的分析方法。”

  科学家们已经采用了几种策略来寻找金元素,例如基于荧光的传感器、纳米材料以及使用基因改造大肠杆菌的全细胞生物传感器等。Lai正是一项在2013年探索以大肠杆菌作为金质生物传感器研究的共同作者。

  DNA是几乎所有生物有机体的基因信息载体,似乎不太可能成为检测金元素或其他金属的方法。然而,Lai的研究利用观察金属离子与DNA四个基本建构模块(腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶)之间的长期互动。

  不同的金属离子具有与不同DNA碱基的亲近程度。例如,金传感器是基于金离子与腺嘌呤间的相互作用、汞传感器基于汞离子与胸腺嘧啶互动、银传感器则以银离子与胞嘧啶的相互作用为基础。

  新创公司NUtechVentures已为内布拉斯加大学林肯分校开发的这项技术实现商用化,目前该公司正寻求保护,并为Lai的金属离子传感器寻找授权合作伙伴。

  “虽然已经针对这些相互作用进行了充份的研究,但却还未实际用于电化学金属离子感测应用,”Lai与博士研究生YaoWu在zui近发表于《分析化学》(AnalyticalChemistry)期刊中的文章——“具有高灵敏度与可调动态范围的电化学三价金(Ⅲ)传感器”一文中解释。

  这篇文章中还探讨论腺嘌呤链如何用于该设计中,以及制造出这一类型的电化学生物传感器,以便能够用于测量水质样本中是否存在某种目标金属及其于水中的浓度。

  基于DNA的传感器能够检测来自金溶液中的金(Ⅲ)离子。汞和银传感器还可检测溶解的汞与银离子。

  “所检测到的金(Ⅲ)离子必定来自金属的金元素,因此,如果在供水中发现金,附近某处一定有金的沈积,”Lai解释。不过,在基于DNA的生物传感器得以实现商用化以前,他们还需要进行更详细的调整。

  Lai的感测运作原理是藉由测量从电极传送至示踪分子(此例中为亚甲蓝)的电流。由于少了金(III)离子,可观察到相当高的电流,因为腺嘌呤链探针具有高度弹性,电子在电极与示踪分子之间的转移也十分有效率。

  但该样本在结合金(III)元素时,腺嘌呤DNA探针的灵活性受到阻碍,从而导致由示踪分子而来的电流大量减少。此外,电流变化的程度可用于决定样本中的金元素浓度。

  为了让这种传感器能重复使用多次,可采用另一种配体从传感器上移除金(III)元素。

 

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