基于DNA生物传感器的循环放大方法检测大米中的重金属离子

1.引言

传统的食品安全检测手段，如化学分析、微生物培养等，虽然在一定程度上能够保障食品安全，但存在检测周期长、操作繁琐、灵敏度不高等问题，难以满足现代食品安全监管的需求。因此，发展快速、灵敏、准确的食品安全检测技术显得尤为重要。

近年来，生物传感器技术以其独特的优势在食品安全检测领域崭露头角。生物传感器是一种将生物识别元件与物理或化学换能器相结合的分析装置，它能够通过生物识别元件与待测物质之间的特异性相互作用，将生物信号转换为可测量的物理或化学信号，从而实现对待测物质的快速检测。在食品安全检测中，生物传感器技术被广泛应用于农药残留、重金属污染、微生物污染等方面的检测，展现出了巨大的应用潜力和发展前景。

此外，随着生物技术的不断进步，DNA生物传感器作为生物传感器的一个重要分支，也在食品安全检测中发挥着越来越重要的作用。DNA生物传感器利用DNA分子作为识别元件，通过DNA与靶分子之间的特异性结合，实现对靶分子的高灵敏度检测。这种技术不仅具有快速、灵敏、准确等优点，还能够实现多组分同时检测，为食品安全检测提供了新的思路和方法。本文旨在探讨生物传感器技术在食品安全检测中的应用。同时，本文还将关注食品安全检测中的其他热点问题，如重金属离子的吸附处理、大米的品质控制等，以期为食品安全检测技术的发展提供有益的参考和借鉴。

2.理论概述

2.1 大米中重金属离子的检测方法概述

大米作为人们日常饮食的重要组成部分，其安全性备受关注。重金属离子污染是影响大米品质和安全性的重要因素之一。因此，对大米中重金属离子的检测显得尤为重要。目前，针对大米中重金属离子的检测方法多种多样，主要分为传统检测方法和新型检测技术两大类。

传统检测方法中，原子吸收光谱法和电感耦合等离子体质谱法是最具代表性的两种。原子吸收光谱法具有高灵敏度、高选择性及较好的精密度，能够直接测定大米中的多种重金属元素，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简便，分析速度快，适用于大多数无机元素的定量分析；而石墨炉原子吸收法则具有更高的灵敏度和精确度，更适用于复杂基体样品如大米的分析，但操作相对繁琐，且可能存在光谱干扰问题。

电感耦合等离子体质谱法则是目前分析灵敏度最高的方法之一，能够同时分析大米中的多种重金属元素，具有极高的选择性和精密度，特别适用于极低浓度重金属离子的检测。然而，该方法设备昂贵，维护保养复杂，对操作人员的技术要求较高，且在样品前处理上耗时较长，需要消耗大量化学试剂。

2.2 DNA生物传感器技术原理与发展

DNA生物传感器是一种基于DNA分子的传感器，它利用DNA分子的特异结构和生物功能，实现对特定物质的检测和分析（如图1）。DNA生物传感器的核心原理在于DNA分子的识别和信号转换。DNA分子具有碱基互补配对的特性，当其与目标物质发生特异性结合时，会引起DNA分子的构象改变或产生新的化学反应，这些变化进而被转换为可测量的信号，从而实现目标物质的检测和分析。DNA生物传感器通常由以下几个主要部分组成。

（1）探针：探针是DNA生物传感器的核心元件，通常由一段已知核苷酸序列的单链DNA分子构成。探针通过固定在传感器表面，与目标物质发生特异性配对。

（2）信号转换器：信号转换器负责将目标物质与探针结合后产生的物理或化学变化转换为可测量的信号。这些信号可以是电信号、光信号、声信号等，具体取决于传感器的类型和设计。

（3）检测器：检测器接收并解读信号转换器输出的信号，进而得出目标物质的检测结果。检测器通常与信号转换器紧密配合，确保信号的准确测量和解读。

图1 DNA生物传感器示意图

循环放大技术是一种提高DNA生物传感器检测灵敏度的重要方法。通过引入循环放大策略，可以实现对目标物质信号的显著放大，从而提高传感器的检测下限和准确性。近年来，循环放大技术在DNA生物传感器中的应用取得了显著进展。一是催化发夹自组装循环放大：CHA循环放大策略通过目标物诱导发夹DNA结构的打开和重新闭合，形成大量的双链DNA产物，从而实现信号的显著放大。这种策略已被广泛应用于DNA生物传感器的构建中，用于检测各种生物标志物和病原体。二是酶剪切循环放大：酶剪切循环放大策略利用核酸酶对特定DNA序列的剪切作用，实现目标物信号的循环放大。通过引入具有剪切活性的核酸酶，可以在目标物存在的情况下不断剪切DNA探针，释放出更多的信号分子，从而提高传感器的检测灵敏度。三是杂交链式反应循环放大：HCR循环放大策略通过设计特定的DNA发夹结构，在目标物存在的情况下触发连续的杂交反应，形成长链DNA聚合物。这种长链DNA聚合物可以携带大量的信号分子，从而实现信号的显著放大。HCR循环放大策略已被成功应用于多种DNA生物传感器的构建中。

3.实验步骤与方法

3.1 实验材料的准备

大米样品的选择对于实验结果的准确性和实用性至关重要。因此，大米样品应来源于具有代表性的生产区域或市场，以确保实验结果的普遍性和可推广性。具体来源可以是当地知名的农田、大型超市或研究机构提供的标准样品，这些样品能够较好地反映大米中重金属离子的实际污染情况。

在处理大米样品时，首先需要进行彻底的清洗，以去除表面的尘土和杂质，避免对后续的重金属检测造成干扰。清洗后的大米样品需要置于干燥箱中，在适宜的温度下烘干至恒重，以确保样品中的水分不会对实验结果产生影响。随后，将干燥后的大米样品使用研磨机或球磨仪粉碎至均匀细小的颗粒，以便于后续的重金属提取和分析。对于需要检测的重金属元素，通常还需要对大米样品进行消解处理，以将大米中的重金属元素转化为可溶性的离子形态，便于后续的测定。

3.2 DNA生物传感器的构建

3.2.1传感器基底的制备与修饰

传感器基底是DNA生物传感器的核心组成部分，其制备和修饰对于传感器的性能和稳定性至关重要。通常，基底材料需要具有良好的生物相容性、化学稳定性和导电性。常用的基底材料包括金、银、玻璃和硅等。在制备过程中，需要对基底进行清洗和活化处理，以确保其表面干净且易于修饰。随后，通过化学或物理方法将特定的功能分子修饰到基底表面，如自组装单层、聚合物膜或生物分子等，这些功能分子可以为DNA探针的固定提供稳定的锚点。

3.2.2 DNA探针的固定

DNA探针是DNA生物传感器的识别元件，其设计需要具有特异性，以便与目标重金属离子进行结合。探针的固定是构建传感器的关键步骤之一。通常，探针的一端通过化学键合或物理吸附作用固定在传感器基底上，而另一端则保持自由状态，用于与目标分子进行特异性结合。固定过程中需要控制探针的密度和取向，以确保传感器具有高的灵敏度和选择性。

3.2.3杂交链式反应的引发

杂交链式反应是一种基于DNA自组装的信号放大技术，可以在无酶条件下实现DNA的快速扩增。在DNA生物传感器中，HCR的引发是通过加入特定的引发剂来实现的。引发剂与固定在基底上的DNA探针结合后，可以触发一系列的DNA杂交和链式反应，导致大量的DNA双链结构在基底上形成。这些双链结构可以作为信号输出的基础，通过检测其数量或形态变化来实现对目标重金属离子的定量或定性分析。

3.3 循环放大反应体系

HCR反应条件的优化是确保反应高效进行并获得稳定可靠信号的关键步骤。优化内容通常包括以下几个方面：一是反应温度与时间：HCR反应在适当的温度下进行可以加速DNA链的杂交速率，但过高的温度可能导致DNA变性。因此，需要根据具体实验条件选择合适的反应温度，并确定最佳的反应时间，以确保HCR反应充分进行。二是反应缓冲液：缓冲液的pH值、离子强度和组成成分对HCR反应的效率有重要影响。优化缓冲液的条件可以提高DNA链之间的杂交效率，减少非特异性结合，从而获得更强的信号输出。三是DNA探针浓度：探针浓度直接影响HCR反应的起始速度和最终产物量。通过调整探针浓度，可以找到最佳的反应条件，使得HCR反应在保持高特异性的同时，实现信号的最大放大。四是引发剂设计：引发剂的设计对HCR反应的启动和效率至关重要。优化引发剂的结构和序列，可以使其更稳定地结合到目标物上，并有效触发HCR反应链。

电化学或电致化学发光信号检测系统是实现DNA生物传感器定量检测的重要工具。其搭建过程通常包括以下几个步骤：一是电极选择与修饰：根据实验需求选择合适的电极材料（如金电极、玻碳电极等），并通过化学或物理方法对电极表面进行修饰，以提高其导电性和生物相容性。修饰层可以包括自组装单层、导电聚合物或纳米材料等，以增强电极与DNA探针之间的相互作用。二是信号转换与放大：将HCR反应产生的DNA双链结构转化为可检测的电化学或电致化学发光信号。这通常通过引入电活性物质（如氧化还原标记物）或发光物质（如鲁米诺、量子点等）来实现。电活性物质在电极表面发生氧化还原反应产生电流信号，而发光物质则在特定条件下发出光信号。三是信号检测与分析：利用电化学工作站或光电倍增管等仪器对产生的信号进行检测和分析。通过记录和分析信号强度与目标物浓度之间的关系，可以建立定量检测模型，实现对目标物的准确测定。

综上所述，HCR反应条件的优化以及电化学或电致化学发光信号检测系统的搭建是构建高灵敏度DNA生物传感器的关键步骤。通过精细调控这些条件，可以显著提升传感器的性能和应用范围。

结语

DNA生物传感器作为一种新兴的检测技术，在重金属离子检测领域展现出了巨大的潜力和应用前景。通过对大米样品的预处理与重金属离子的有效提取，结合DNA生物传感器的高灵敏度和特异性检测步骤，能够实现对大米中重金属离子的准确、快速测定。这种方法不仅操作简便、成本较低，而且具有较高的准确性和可靠性，为食品安全和环境监测提供了有力的技术支持。展望未来，随着技术的不断发展和完善，DNA生物传感器有望在更多领域得到广泛应用，为人们的生活和健康保驾护航。

基金项目

2023 年度广西高校中青年教师科研基础能力 提升项目《基于生物传感的重金属灵敏快速检测方法研究 》研究成果（项目编号：2023KY1584 ）。

作者简介

黄红云（1991.02-），女，汉族，广西玉林人，硕士研究生，讲师，工程师；研究方向：食品安全、化工安全、分析检测。

*通讯作者

王有泉（1988.03-），男，壮族，广西南宁人，本科，讲师，工程师；研究方向：食品安全、化工安全。