一种基于比率式SERS传感平台的茶叶中重金属检测方法

一种基于比率式sers传感平台的茶叶中重金属检测方法
技术领域
1.本发明属于食品安全检测技术领域，具体涉及一种基于链置换的比率sers生物传感平台的茶叶中镉金属快速检测方法。


背景技术：

2.中国是世界上最早发现并利用茶树的国家，并形成了历史悠久的茶文化。然而，茶树在生长过程中可能会受到重金属污染。重金属含量是茶叶卫生质量的重要指标，因此检测及监控市面上的茶叶重金属含量对维护消费者安全具有重要意义。
3.传统的重金属含量检测方法包括石墨炉原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、火焰原子吸收光谱法和二硫腙比色法，但是这些传统的重金属含量检测方法存在着设备昂贵、检测成本高、步骤繁琐等不足，也不能满足对重金属含量的实时快速检测要求。因此亟需一种能够克服传统方法的不足，并提高茶叶中重金属含量检测的速度、特异性和灵敏度的茶叶中重金属快速检测方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服常规检测技术中存在的不足，如：检测时间长，检测设备昂贵，检测步骤繁琐等，本发明提供一种基于比率式sers传感平台的茶叶中重金属检测方法，制备金银核壳包裹的磁纳米作为sers信号元件，并在表面修饰sers信号分子功能化的dna双链，当体系中存在待测重金属，信号分子从信号元件表面脱落，为另一个信号分子提供结合位点，实现茶叶中重金属比率式快速检测。此外，反应后的传感器通过链置换反应回到原始状态，实现传感器的再生与循环利用。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.本发明采取的技术方案是：一种基于比率式sers传感平台的茶叶中重金属检测方法，包括以下步骤：
7.步骤一，制备金银核壳纳米材料；
8.步骤二，制备金银核壳修饰的磁性纳米粒子faa；
9.将四氧化三铁微球与聚乙烯亚胺混合，经超声溶解、磁分离得到氨基修饰的磁纳米微球；将氨基修饰的磁纳米微球与步骤一制备的金银核壳材料纳米混合，经过混合、磁分离水洗、真空烘干得到faa粒子；
10.步骤三，faa的功能化修饰；
11.将faa粒子与链霉亲和素溶液混合，得到链霉亲和素包裹的磁纳米粒子；
12.制备一端修饰有亲和素的且含有dna酶的dna单链h1；制备与h1互补且含有rna片段的dna单链h2，所述h2末端修饰sers信号分子a；将h1与h2通过pcr的方式相连，形成双链；所述h2中的rna片段与h1中的dna酶互补；
13.将双链与链霉亲和素包裹的磁纳米粒子混合，孵育后获得磁纳米生物传感器faa-cdna1；
14.步骤四，重金属元素判别鉴定方法的建立；
15.制备不同浓度的待测重金属溶液，首先将不同浓度的待测重金属溶液加入到faa-cdna1中孵育，faa-cdna1表面的h2在目标重金属存在时发生断裂，然后进行磁分离操作；
16.向磁分离后的faa-cdna1中加入h3，所述h3是末端修饰sers信号分子b的dna单链；h3将faa-cdna2表面断裂的h2进行置换，经孵育、磁分离操作得到经过置换后的faa-cdna2，对经过置换后的faa-cdna2进行sers信号的采集，建立浓度和比率信号ib/ia之间的关系曲线；
17.步骤五，传感器的重生及再利用；
18.将完整的h2加入经过h3置换后的faa-cdna2溶液中，基于链置换反应，h2置换出h3，经孵育、磁分离后重新得到磁纳米生物传感器faa-cdna1，将磁纳米生物传感器重新进行步骤四的重金属元素判别鉴定，实现传感器的重生与在利用。
19.进一步，步骤一中，将1％氯金酸溶液加热至100℃，5s内加入1％柠檬酸三钠溶液继续反应，30min后以30μl/min的速度滴加agno3溶液，滴加完成后再搅拌30min，停止反应，冷却后得到金银核壳纳米材料。
20.进一步，所述氯金酸、柠檬酸三钠和硝酸银体积比为100:1.5:2，硝酸银浓度为2-8mm。
21.进一步，步骤二中，所述四氧化三铁微球、聚乙烯亚胺和金银核壳材料体积比为1000:0.2:200，四氧化三铁微球尺寸为150-250nm，四氧化三铁浓度为1mg/ml，聚乙烯亚胺浓度为10g/ml，摇床温度25℃。
22.进一步，步骤三中，所述faa粒子、链霉亲和素体积比为1:1，faa粒子浓度为1mg/ml，链霉亲和素浓度为0.1-0.2mg/ml，摇床温度37℃。
23.进一步，h1、h2和链霉亲和素包裹的磁纳米粒子的浓度比为1μm:1μm:1g/ml，孵育温度37℃。
24.进一步，步骤四中，所述重金属离子浓度范围为1.0
×
10-11
～1.0
×
10-5
m；重金属溶液、faa-cdna1和h1体积比200：10：(0.2-0.5)，faa-cdna1浓度为1mg/ml，h1浓度为100ng/ml，孵育温度37℃。
25.进一步，步骤四中，h3与h2中的sers信号分子不同，且h3能与h1连接。
26.进一步，步骤五中，h2与faa-cdna2的体积比(0.2-0.5):1，faa-cdna1浓度为1mg/ml，h1浓度为100ng/ml，孵育温度37℃。
27.进一步，步骤五中，h2通过链置换取代h3与h1连接。
28.与现有检测技术相比，本发明的有益效果如下：
29.1.本发明提供一种基于比率式sers传感平台的茶叶中重金属检测方法，制备金银核壳包裹的磁纳米作为sers信号元件，并在表面修饰sers信号分子功能化的dna双链，当体系中存在待测重金属，信号分子从信号元件表面脱落，实现茶叶中重金属快速检测方法。
30.2.本发明提供一种基于比率式sers传感平台的茶叶中重金属检测方法，具体设计的传感器具有磁分离功能，具有分离速度快，操作步骤简单的优势。
31.3.本发明提供一种基于比率式sers传感平台的茶叶中重金属检测方法，具体设计faa-cdna1表面的重金属dna酶可以特异性识别重金属，导致h2从h1表面脱离，为h3的附着提供位点，实现信号的比率变化。
32.4.本发明提供一种基于比率式sers传感平台的茶叶中重金属检测方法，具体设计h2可以通过链置换取代h3，实现传感器的循环使用；
33.5.本发明提供一种基于比率式sers传感平台的茶叶中重金属检测方法，通过替换材料表面的dna酶，可实现不同待测物的比率检测，具有一定的普适性。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一项实施实例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1检测原理图
36.图2本发明制备的faa的电镜图；图中，a为faa的透射电镜图；b为faa的扫描电镜图；
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
39.一种基于比率式sers传感平台的茶叶中重金属检测方法，具体步骤为：
40.步骤一，制备金银核壳纳米材料：
41.将50ml 1％氯金酸溶液加热至100℃，5s内加入750μl的1％柠檬酸三钠溶液继续反应，30min后以30μl/min的速度滴加1ml4mm agno3溶液，滴加完成后再搅拌30min，停止反应，冷却后得到金银核壳纳米材料；。
42.步骤二，制备金银核壳修饰的磁性纳米粒子(faa)：
43.将10ml的1mg/ml四氧化三铁微球水溶液与200μl 10g/ml聚乙烯亚胺混合，超声溶解2小时，通过磁分离得到氨基修饰的磁纳米微球。
44.将80ml氨基修饰的磁纳米微球与步骤一制备的200ml金银核壳纳米材料混合，摇床25℃里混合3小时，磁分离水洗三次，真空烘干得到faa；
45.步骤三，faa的功能化修饰：
46.重金属dna酶由单链dna序列组成，该序列可以通过互补碱基配对和mrna在单个可编程位点与靶mrna结合，金属离子作为辅助因子，可导致相结合的rna部分酶解脱离。在本技术中，可以选用从上海生工生物有限公司公司订购的dna片段，具体如下：
47.h1:5
’‑
biotin-acagacatcatctctgaagtagcgccgccgtatagtag
48.h2:5
’‑
ctactatraggaagagatgatgtc-cy3-3’49.h3:5
’‑
tcagagatgatgtc-mb-3’50.faa的功能化修饰的具体过程如下：
51.将10ml的1mg/ml faa粒子与10ml的0.1g/ml链霉亲和素溶液混合，摇床37度摇动
4h后磁分离，水洗后，用0.1m的pbs溶液溶解至1mg/ml，得到链霉亲和素包裹的磁纳米粒子；
52.制备一端修饰有亲和素的且其中含有dna酶的单链h1，制备与h1互补且含有rna片段的dna单链h2，h2末端修饰sers信号分子a。h2中的rna片段与h1中的dna酶互补，且在目标重金属存在下可被dna酶分解，发生断裂。dna酶根据所要检测的重金属种类进行选取。
53.将100μl10μm的h1与100μl 10μm h2通过pcr的方式相连，形成双链。
54.并将双链与100μl的10mg/ml链霉亲和素包裹的磁纳米粒子混合，37℃孵育8h取出，获得磁纳米生物传感器faa-cdna1；
55.步骤四，重金属元素判别鉴定方法的建立：
56.在本实施例中，仅以铅为例进行说明，制备浓度范围为1.0
×
10-11
～1.0
×
10-5
m的铅金属溶液，首先，将每个浓度的铅金属溶液均取2ml加入到100μl 1mg/ml faa-cdna1中孵育20min，由于faa-cdna1表面的重金属dna酶可以特异性识别铅，导致h2断裂，然后进行磁分离操作，弃去上清液。
57.接着向磁分离后的faa-cdna1中加入30μl 100ng/ml h3，h3是末端修饰sers信号分子b的dna单链；基于链置换作用h3可以对faa-cdna1中断裂的h2进行置换，摇床中孵育20min后进行磁分离操作得到h3置换后的faa-cdna2。对得到的产物(即经h3置换后的faa-cdna2)进行sers信号的采集，可以同时获取sers信号分子a和sers信号分子b对应的信号；因此，可以建立该类重金属和比率信号ib/ia之间的关系曲线。
58.步骤五，传感器的重生及再利用：将30μl 100ng/ml h2加入100μl 1mg/ml faa-cdna2溶液中，摇床中37℃孵育1h后，磁分离后得到faa-cdna1，得到的产物重新进行步骤四的步骤，验证传感器的重生作用。在本技术所设计的传感器中，由于h2可以通过链置换取代h3，所以可以实现传感器的重生及再利用。
59.在本实施例中，h2和h3的sers信号分子a和b可以选用cy3、cy5mb或罗丹明，但是a和b必须选择不同种类。
60.综上，本发明提供一个基于链置换的比率sers生物传感平台的茶叶中重金属快速检测方法，制备金银核壳包裹的磁纳米作为sers信号元件，并在表面修饰sers信号分子功能化的dna双链，当体系中存在待测重金属，信号分子从信号元件表面脱落，为另一个信号分子提供结合位点，实现茶叶中重金属比率式快速检测方法。此外，反应后的传感器通过链置换反应回到原始状态，实现传感器的再生与循环利用。
61.虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变形均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

技术特征：
1.一种基于链置换的比率sers生物传感平台的茶叶中重金属快速检测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，制备金银核壳纳米材料；步骤二，制备金银核壳修饰的磁性纳米粒子faa；将四氧化三铁微球与聚乙烯亚胺混合，经超声溶解、磁分离得到氨基修饰的磁纳米微球；将氨基修饰的磁纳米微球与步骤一制备的金银核壳材料纳米混合，经过混合、磁分离水洗、真空烘干得到faa粒子；步骤三，faa的功能化修饰；将faa粒子与链霉亲和素溶液混合，得到链霉亲和素包裹的磁纳米粒子；制备一端修饰有亲和素的且含有dna酶的dna单链h1；制备与h1互补且含有rna片段的dna单链h2，所述h2末端修饰sers信号分子a；将h1与h2通过pcr的方式相连，形成双链；所述h2中的rna片段与h1中的dna酶互补；将双链与链霉亲和素包裹的磁纳米粒子混合，孵育后获得磁纳米生物传感器faa-cdna1；步骤四，重金属元素判别鉴定方法的建立；制备不同浓度的待测重金属溶液，首先将不同浓度的待测重金属溶液加入到faa-cdna1中孵育，faa-cdna1表面的h2在目标重金属存在时发生断裂，然后进行磁分离操作；向磁分离后的faa-cdna1中加入h3，所述h3是末端修饰sers信号分子b的dna单链；h3将faa-cdna2表面断裂的h2进行置换，经孵育、磁分离操作得到经过置换后的faa-cdna2，对经过置换后的faa-cdna2进行sers信号的采集，建立浓度和比率信号i
b
/i
a
之间的关系曲线；步骤五，传感器的重生及再利用；将完整的h2加入经过h3置换后的faa-cdna2溶液中，基于链置换反应，h2置换出h3，经孵育、磁分离后重新得到磁纳米生物传感器faa-cdna1，将磁纳米生物传感器重新进行步骤四的重金属元素判别鉴定，实现传感器的重生与在利用。2.根据权利要求1所述的一种基于链置换的比率sers生物传感平台的茶叶中重金属快速检测方法，其特征在于，步骤一中，将1％氯金酸溶液加热至100℃，5s内加入1％柠檬酸三钠溶液继续反应，30min后以30μl/min的速度滴加agno3溶液，滴加完成后再搅拌30min，停止反应，冷却后得到金银核壳纳米材料。3.根据权利要求2所述的一种基于链置换的比率sers生物传感平台的茶叶中重金属快速检测方法，其特征在于，所述氯金酸、柠檬酸三钠和硝酸银体积比为100:1.5:2，硝酸银浓度为2-8mm。4.根据权利要求1所述的一种基于链置换的比率sers生物传感平台的茶叶中重金属快速检测方法，其特征在于，步骤二中，所述四氧化三铁微球、聚乙烯亚胺和金银核壳材料体积比为1000:0.2:200，四氧化三铁微球尺寸为150-250nm，四氧化三铁浓度为1mg/ml，聚乙烯亚胺浓度为10g/ml，摇床温度25℃。5.根据权利要求1所述的一种基于链置换的比率sers生物传感平台的茶叶中重金属快速检测方法，其特征在于，步骤三中，所述faa粒子、链霉亲和素体积比为1:1，faa粒子浓度为1mg/ml，链霉亲和素浓度为0.1-0.2mg/ml，摇床温度37℃。6.根据权利要求1所述的一种基于链置换的比率sers生物传感平台的茶叶中重金属快
速检测方法，其特征在于，h1、h2和链霉亲和素包裹的磁纳米粒子的浓度比为1μm:1μm:1g/ml，孵育温度37℃。7.根据权利要求1所述的一种基于链置换的比率sers生物传感平台的茶叶中重金属快速检测方法，其特征在于，步骤四中，所述重金属离子浓度范围为1.0
×
10-11
～1.0
×
10-5
m；重金属溶液、faa-cdna1和h1体积比200：10：(0.2-0.5)，faa-cdna1浓度为1mg/ml，h1浓度为100ng/ml，孵育温度37℃。8.根据权利要求1所述的一种基于链置换的比率sers生物传感平台的茶叶中重金属快速检测方法，其特征在于，步骤四中，h3与h2中的sers信号分子不同，且h3能与h1连接。9.根据权利要求1所述的一种基于链置换的比率sers生物传感平台的茶叶中重金属快速检测方法，其特征在于，步骤五中，h2与faa-cdna2的体积比(0.2-0.5):1，faa-cdna1浓度为1mg/ml，h1浓度为100ng/ml，孵育温度37℃。10.根据权利要求9所述的一种基于链置换的比率sers生物传感平台的茶叶中重金属快速检测方法，其特征在于，步骤五中，h2通过链置换取代h3与h1连接。

技术总结
本发明公开了一种基于比率式SERS传感平台的茶叶中重金属检测方法，分别制备金银核壳纳米材料和氨基修饰的磁纳米微球；将氨基修饰的磁纳米微球和金银核壳纳米材料混合制得FAA；在FAA表面修饰SERS信号分子功能化的DNA双链，实现对FAA进行功能化修饰；利用功能化修饰后的FAA对含义不同浓度重金属元素的溶液进行SERS信号检测，建立浓度和信号之间的关系曲线。本申请所设计的传感器检测到体系中存在待测重金属时，信号分子从信号元件表面脱落，为另一个信号分子提供结合位点，实现茶叶中重金属比率式快速检测。此外，反应后的传感器通过链置换反应回到原始状态，实现传感器的再生与循环利用。循环利用。循环利用。


技术研发人员：魏文雅 陈全胜 郑子涵 李欢欢 吴继忠 朱阿芳
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/8/22