文 献 综 述

众所周知, 汞是高毒性的全球性环境污染物, 尤其是其具有高迁移性、累积性、甲基化作用性、生物富集性及食物链放大性的特点, 即便是极微量的存在于环境中, 对动植物及人类的健康也是极大的威胁^[1]。医学研究早已证实, 一定程度的汞暴露将严重损伤人的大脑、心脏、肾、肺及免疫系统^[2]。因此，发展一个高灵敏性、高选择性的检测汞离子方法是极其重要的，这也是我们所要研究追求的课题。

传统常规的汞离子检测通常采用原子吸收光谱、原子发射光谱和冷原子荧光光谱法等, 均依赖大型仪器, 成本比较高, 需要熟练的操作人员,预处理过程繁琐耗时, 因而不能满足实际环境监测高效低成本的需要。后来又发展起来一些新方法, 有基于Hg² 与有机试剂直接或间接络合原理产生吸光度变化的光化学分析技术(如冠醚类Hg² 传感技术^[3] ) , 基于Hg² 的氧化还原性质的电化学传感器技术(如Hg² 阳极溶出伏安分析法^[4] )等, 相对于传统方法, 这些方法具有简单、经济、快速及高灵敏性的优势, 但是却都有选择性局限的缺点, 而在生态环境中, 痕量的汞离子总是伴随着数百万倍的其他离子, 因此检测方法的高选择性是十分必要的。

最近, 研究者们发现, 利用一种由Hg² 与脱氧核糖核酸( DNA )中胸腺嘧啶( T)高度特异性结合所形成的稳定的T- Hg² -T配位化合物, 可以设计出一系列高灵敏度且高选择性的Hg² 检测方法。该特殊的配位化学是通过Hg² 特异性的与T上的第三个N发生质子取代形成的, 而且这种伪Watson-Crick（DNA双螺旋结构发现者）结构稳定性绝不亚于标准Watson-Crick碱基配对, 对Hg² 还能高选择性识别^[5] （如下图所示） 所以该配位结构的发现对Hg² 检测技术的研究及进一步的实际应用有着很大帮助。我将介绍基于这种T- Hg² -T 特异性配位结构的Hg² 检测的一些最新研究进展。

⑴ 纳米金比色法检测Hg²

纳米材料是指基本单元的颗粒或晶粒尺寸至少在一维以上小于100 nm的材料, 当物质的结构单元小到纳米数量级时会产生特异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应,并由此引起力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等方面的特殊性质。纳米金作为研究最早的纳米材料之一, 结合其制备简单、粒径可控、比表面积大、生物相容性好的优势, 在生物、化学、物理、医学领域得到了广泛的应用。纳米金由于其量子尺寸效应和表面效应, 纳米金颗粒会表现出特殊的等离子体吸收, 其摩尔吸光系数比一般的有机染料分子大3~ 5个数量级, 并且这种吸收与溶液中纳米颗粒的尺寸、形状和聚集形态有着密切的关系, 即若纳米金颗粒的间距明显超过其平均直径，纳米金颗粒呈分散状态，溶液为红色；若间距小于平均直径，则纳米金颗粒易团聚，呈现聚集状态，表现为紫色或蓝色。这种信号稳定, 肉眼可见,并且可以实时监测大大降低了对信号检测的要求, 从而有效地提高化学或生物传感器的性能。

2007年初, Mirkin研究组^[6]借助T- Hg² -T选择性结合, 利用修饰的纳米金颗粒,实现了比色法检测Hg^{2 [7] [8] [9] [10]}。该技术先分别将两条不同的巯基化寡聚核苷酸链探针通过Au-S共价键标记到纳米金颗粒上, 这两条探针除了中间有一对T-T错配外互为靶序列,在这两条探针解链温度下, 将不同标记的这两种纳米金颗粒混合, 没有Hg² 存在的条件下, 纳米金颗粒上的探针不会进行杂交反应, 溶液中标记探针的纳米金颗粒是稳定分散的,溶液颜色依然是红色; 当有Hg² 存在的情况下, 形成了特异性的T- Hg² -T错配, 使纳米金颗粒上标记的不同探针杂交温度( ~ 10℃ )大大的提高,溶液温度不变的情况下, 两条探针杂交, 使得纳米金颗粒之间的距离拉近, 导致纳米金颗粒发生团聚, 溶颜色很快由红变紫最后呈蓝色, 纳米金表面等离子吸收峰发生红移, 再通过紫外- 可见分光光度计检测, 甚至通过肉眼比色即可分辨出杂交是否进行, 从而判断出Hg² 是否存在并可定量分析。该检测技术检测限可达到100 nmol /L, 且其他金属离子均无明显干扰, 从而实现了低成本、简易、快速又高灵敏度、高选择性的检测Hg² 。如下图所示^[6]：

⑵荧光分析法检测Hg²

某些物质吸收特定波长的光后, 除了产生吸收光谱外还会发射比吸收波长更长的光来, 当激发光停止照射后, 这种光线也随之消失, 这种光称为荧光。荧光分析法则是根据物质的分子荧光进行定性和定量的一种分析方法。因为荧光分析法有很高的灵敏性和选择性, 检测下限通常比吸收光度法低2~ 4个数量级, 所以在分析化学中有着广泛的应用和巨大的前景。

荧光分析法在生物检测应用中通常包括两类: 荧光探针^{[11] [12]}和荧光染料。在这里主要讲一下荧光染料，如TOTO-3、Syber Green I^[13].在游离状态下，Syber Green I发出微弱的荧光，但一旦与双链DNA结合后，荧光大大增强，且Syber Green I的荧光信号强度与双链DNA的数量相关。2008年, Chang研究组^{[ 14]}通过使用一种特殊的双链嵌入式荧光染料TOTO-3, 研究出一种新的Hg² 测定方法。该研究的思路是基于一条33个全T碱基的DNA 探针, 当没有Hg² 存在时, 这条链是游离随机线性状态的, 加入一定量的TOTO-3荧光染料后, 因为没有双链杂交体存在,TOTO-3不与探针结合, 荧光信号很弱, 当加入Hg² 后, Hg² 介导的T-T 错配形成, 这条聚TDNA 探针形成自身折叠杂交的二级结构, DNA双链的形成带来TOTO-3的嵌入结合, 可检测出荧光信号明显增强, 最多可有上千倍的差别。通过荧光信号的增强可判断双链形成的数量, 从而推断Hg² 的量。此方法能同时拥有灵敏度高、选择性好、快速且更简单(无标记)的优点。