基于DNA生物傳感器的循環放大方法檢測大米中的重金屬離子

1.引言

傳統的食品安全檢測手段，如化學分析、微生物培養等，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，難以滿足現代食品安全監管的需求。因此，發展快速、靈敏、準確的食品安全檢測技術顯得尤為重要。

近年來，生物傳感器技術以其獨特的優勢在食品安全檢測領域嶄露頭角。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合的分析裝置，它能夠通過生物識別元件與待測物質之間的特異性相互作用，將生物信號轉換為可測量的物理或化學信號，從而實現對待測物質的快速檢測。在食品安全檢測中，生物傳感器技術被廣泛應用于農藥殘留、重金屬污染、微生物污染等方面的檢測，展現出了巨大的應用潛力和發展前景。

此外，隨著生物技術的不斷進步，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合，實現對靶分子的高靈敏度檢測。這種技術不僅具有快速、靈敏、準確等優點，還能夠實現多組分同時檢測，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在食品安全檢測中的應用。同時，本文還將關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、大米的品質控制等，以期為食品安全檢測技術的發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

大米作為人們日常飲食的重要組成部分，其安全性備受關注。重金屬離子污染是影響大米品質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，主要分為傳統檢測方法和新型檢測技術兩大類。

傳統檢測方法中，原子吸收光譜法和電感耦合等離子體質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，該方法設備昂貴，維護保養復雜，對操作人員的技術要求較高，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生物傳感器技術原理與發展

DNA生物傳感器是一種基于DNA分子的傳感器，它利用DNA分子的特異結構和生物功能，實現對特定物質的檢測和分析（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換。DNA分子具有堿基互補配對的特性，當其與目標物質發生特異性結合時，會引起DNA分子的構象改變或產生新的化學反應，這些變化進而被轉換為可測量的信號，從而實現目標物質的檢測和分析。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分子構成。探針通過固定在傳感器表面，與目標物質發生特異性配對。

（2）信號轉換器：信號轉換器負責將目標物質與探針結合后產生的物理或化學變化轉換為可測量的信號。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計。

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

圖1 DNA生物傳感器示意圖

循環放大技術是一種提高DNA生物傳感器檢測靈敏度的重要方法。通過引入循環放大策略，可以實現對目標物質信號的顯著放大，從而提高傳感器的檢測下限和準確性。近年來，循環放大技術在DNA生物傳感器中的應用取得了顯著進展。一是催化發夾自組裝循環放大：CHA循環放大策略通過目標物誘導發夾DNA結構的打開和重新閉合，形成大量的雙鏈DNA產物，從而實現信號的顯著放大。這種策略已被廣泛應用于DNA生物傳感器的構建中，用于檢測各種生物標志物和病原體。二是酶剪切循環放大：酶剪切循環放大策略利用核酸酶對特定DNA序列的剪切作用，實現目標物信號的循環放大。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放大：HCR循環放大策略通過設計特定的DNA發夾結構，在目標物存在的情況下觸發連續的雜交反應，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，從而實現信號的顯著放大。HCR循環放大策略已被成功應用于多種DNA生物傳感器的構建中。

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果的準確性和實用性至關重要。因此，大米樣品應來源于具有代表性的生產區域或市場，以確保實驗結果的普遍性和可推廣性。具體來源可以是當地知名的農田、大型超市或研究機構提供的標準樣品，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，避免對后續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果產生影響。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化為可溶性的離子形態，便于后續的測定。

3.2 DNA生物傳感器的構建

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定性至關重要。通常，基底材料需要具有良好的生物相容性、化學穩定性和導電性。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，其設計需要具有特異性，以便與目標重金屬離子進行結合。探針的固定是構建傳感器的關鍵步驟之一。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，用于與目標分子進行特異性結合。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

雜交鏈式反應是一種基于DNA自組裝的信號放大技術，可以在無酶條件下實現DNA的快速擴增。在DNA生物傳感器中，HCR的引發是通過加入特定的引發劑來實現的。引發劑與固定在基底上的DNA探針結合后，可以觸發一系列的DNA雜交和鏈式反應，導致大量的DNA雙鏈結構在基底上形成。這些雙鏈結構可以作為信號輸出的基礎，通過檢測其數量或形態變化來實現對目標重金屬離子的定量或定性分析。

3.3 循環放大反應體系

HCR反應條件的優化是確保反應高效進行并獲得穩定可靠信號的關鍵步驟。優化內容通常包括以下幾個方面：一是反應溫度與時間：HCR反應在適當的溫度下進行可以加速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物量。通過調整探針濃度，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，實現信號的最大放大。四是引發劑設計：引發劑的設計對HCR反應的啟動和效率至關重要。優化引發劑的結構和序列，可以使其更穩定地結合到目標物上，并有效觸發HCR反應鏈。

電化學或電致化學發光信號檢測系統是實現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。二是信號轉換與放大：將HCR反應產生的DNA雙鏈結構轉化為可檢測的電化學或電致化學發光信號。這通常通過引入電活性物質（如氧化還原標記物）或發光物質（如魯米諾、量子點等）來實現。電活性物質在電極表面發生氧化還原反應產生電流信號，而發光物質則在特定條件下發出光信號。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系，可以建立定量檢測模型，實現對目標物的準確測定。

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

結語

DNA生物傳感器作為一種新興的檢測技術，在重金屬離子檢測領域展現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，結合DNA生物傳感器的高靈敏度和特異性檢測步驟，能夠實現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，為食品安全和環境監測提供了有力的技術支持。展望未來，隨著技術的不斷發展和完善，DNA生物傳感器有望在更多領域得到廣泛應用，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。