傳統(tǒng)重金屬檢測方法依賴大型儀器，需要復雜繁瑣的前處理過程、高昂的檢測成本和較長的檢測周期。同時，傳統(tǒng)檢測方法面臨著靈敏度不高和智能化程度低的問題。因此，亟需建立高靈敏度及智能化重金屬檢測方法，以彌補傳統(tǒng)方法的不足。生物傳感器是快速檢測方法，具有響應迅速、成本低、靈敏度高及便于攜帶等優(yōu)點，可以較好地克服傳統(tǒng)檢測方法的局限，在重金屬簡單、快速、高靈敏檢測方面頗具應用前景。

中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室研究員劉承帥團隊與廣東省科學院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所研究員陳俊華等，建立了以功能核酸為分子識別元件的重金屬生物傳感器，實現(xiàn)了對重金屬的超靈敏、智能化快速檢測，并構建了土壤有效態(tài)重金屬檢測新方法。?

該團隊建立了DNA網(wǎng)狀納米結構生物傳感器，實現(xiàn)了對土壤重金屬的超靈敏檢測。科研人員創(chuàng)新性地以雙莖環(huán)DNA探針為自組裝元件。當反應體系存在待檢重金屬（以鈾離子為例），釋放的核酸片段可激活DNA組裝，經(jīng)過多重循環(huán)的核酸雜交及鏈置換反應，形成DNA網(wǎng)狀納米結構的熒光生物傳感器。該熒光生物傳感器對鈾離子的檢測線性范圍為10 pM到1 mM，檢測限為2 pM，可實現(xiàn)對土壤樣品中痕量鈾污染的超靈敏檢測。該熒光生物傳感器操作簡單、響應迅速、信號擴增效率高效，為土壤重金屬的超靈敏檢測提供了新方法。

（A）DNA網(wǎng)狀納米結構生物傳感器檢測重金屬原理；（B）原子力顯微鏡表征組裝的DNA納米結構；（C）檢測限和檢測靈敏度分析

該研究建立了分子邏輯門生物傳感器，在分子水平上實現(xiàn)了重金屬的智能化檢測。研究以有效態(tài)鉛和有效態(tài)鎘兩種重金屬為目標物，基于二進制原理，以0和1對重金屬進行編碼，以功能核酸為重金屬分子識別元件，通過核酸并行運算和雜交反應，構建了多種分子邏輯門生物傳感器，包括OR、AND、XOR、INHIBIT、半加器、半減器等。在生物傳感邏輯運算中，0表示檢測體系中不存在有效態(tài)鉛或鎘；1表示檢測體系中存在有效態(tài)鉛或鎘。以FAM和Cy5進行雙通道熒光標記，根據(jù)真值表排布，不同的重金屬組合會產(chǎn)生不同的熒光輸出信號，從而在分子水平上為重金屬的智能化檢測提供了一套新的傳感體系。

（A）分子邏輯門生物傳感器用于有效態(tài)重金屬的智能化檢測；（B）半加器分子邏輯門生物傳感器結果；（C）半減器分子邏輯門生物傳感器結果；（D）半加器分子邏輯運算真值表；（E）半減器分子邏輯運算真值表

該工作建立了DNA熒光生物傳感器，實現(xiàn)了對土壤有效態(tài)重金屬的免萃取、簡單、快速檢測。目前，土壤有效態(tài)重金屬檢測方法較多，如BCR法、Maiz三步連續(xù)提取方法、Tessier五步連續(xù)提取法、DTPA-CaCl2法等，但適用條件等存在爭議。例如，強酸強堿等化學試劑介導的重金屬萃取難以反映土壤中有效態(tài)重金屬的真實含量。同時，這些方法需要連續(xù)多步的萃取分離過程，步驟繁瑣且耗時較長。因此，探索構建無需消解萃取且可真實反應土壤中有效態(tài)重金屬含量的快速檢測方法具有重要意義。

（A）DNA熒光生物傳感器用于有效態(tài)重金屬檢測原理；（B）有效態(tài)重金屬檢測靈敏度分析結果

該團隊以生命體基元DNA為有效態(tài)重金屬識別探針，通過DNA識別、切割以及信號轉(zhuǎn)換，構建了DNA熒光生物傳感器，實現(xiàn)了對土壤有效態(tài)重金屬（鉛、鎘、銅等）的快速檢測。該方法操作簡單、無需復雜的連續(xù)萃取過程，同時，DNA探針混合即可檢測，響應迅速，方便現(xiàn)場快速分析。該熒光生物傳感器對有效態(tài)鉛的檢測靈敏度可達0.2 pM，用于土壤樣品有效態(tài)重金屬檢測時，與傳統(tǒng)DTPA-CaCl2法相比，誤差小于10%，具有高靈敏度和高特異性，可滿足復雜樣品中有效態(tài)重金屬檢測需求。

相關研究成果分別發(fā)表在Analytical Chemistry、Talanta和Science of The Total Environment上。相關技術已申請發(fā)明專利。研究工作得到國家重點研發(fā)劃、國家自然科學基金和貴州省高水平人才項目等的支持。