CN108593626A - 基于sers技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，包括如下步骤：1)SERS基底的制备；2)铀酰离子DNAzyme反应液的配备；3)SERS生物传感芯片的修饰；将与双链DNA有部分碱基互补的单链DNA拿出解冻，离心后配置成一定浓度，修饰得到DNA的SERS基底。4)铀酰离子的表面增强拉曼检测；将一定浓度的铀酰离子水样滴入到步骤2)配置好的双链DNAzyme反应液中，反应一段时间，并将混合液滴在步骤3)处理后的SERS基底上，反应一段时间后，做拉曼检测。本发明建立的检测方法具有灵敏度高、选择性好、抗基体干扰能力强、简单快速等优点。

Description

基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法

技术领域

本发明涉及一种痕量铀酰离子的检测方法，具体涉及一种基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，属于水环境中痕量离子的检测领域。

背景技术

铀作为重要的天然放射性元素，也是最重要的核燃料，具有广为人知的化学毒性和放射性，也受到了人们的广泛关注。随着经济和科学技术的发展，工业化进程加快，铀作为一种重要的战略能源，因其密度高、韧性好等优势在军事以及工商业领域的应用也越来越广泛。例如铀不仅是核武器和核电反应堆的重要原料，还可用于制作飞机上的平衡物和压舱物、放射性治疗用的医疗设备上的辐射盾牌、运输放射性材料的容器等。随着时代和经济发展的需要，越来越多的铀矿被开采利用。在铀的转运、加工等过程中，人类暴露于铀污染环境中的机会越来越多，受到伤害的可能性也与日俱增。个体暴露于含铀的环境中，常常是通过日常接触的土壤、呼吸的空气、食用被铀污染的水和食物等方式受到铀的伤害。铀对人体的危害主要来自于其潜在的化学毒性和放射毒性。高剂量的放射性损害主要造成肾损伤、肺癌和泌尿***疾病。而长期低剂量放射常会造成遗传方面的损害。因为铀的半衰期很长，对人体和环境造成的污染和伤害往往是长期的。因此，对于环境中痕量铀污染的检测和预警有着非常重要的意义，是避免人类遭受铀辐射伤害的最有效方法之一。

铀酰离子(UO₂ ²⁺)是铀在水环境中的主要存在形式。目前用于水环境中痕量铀酰离子(UO₂ ²⁺)检测的主要方法有射线检测法、X射线荧光法、原子光谱法和ICP-MS法等。这些方法需要价格昂贵的精密仪器和复杂费时的前处理过程，无法满足现场快速检测的需要。

近年来，一些简便易行的铀酰离子(UO₂ ²⁺)传感方法被开发，以满足铀酰离子(UO₂ ^{2 +})现场快

速检测的需求。但是已有的传感检测方法或因灵敏度较低、选择性差，或因抗基质干扰能力较低，无法用于实际环境水样中痕量铀酰离子(UO₂ ²⁺)的现场快速检测。因此，目前迫切需要一种高灵敏、选择性好的铀酰离子检测方法，以实现对其的实时、快速的现场检测。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，利用包含有能与铀酰离子有特异性响应的DNA酶和捕捉底物链序列的DNA单链，通过信报分子的信号可以间接探测铀酰离子。本发明的探测限值为3×10^-13M，能够超灵敏检测铀酰离子，有效解决了现有检测技术灵敏度和选择性不高的问题。同时，本发明具有简单、方便、易于携带，能实时、在线检测铀酰离子的浓度，具有很好的应用前景。

本发明是这样实现的：

一种基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，包括如下步骤：

1)SERS基底的制备：

先用光刻法结合深硅刻蚀技术，在硅片上刻蚀一定排列方式的纳米硅柱阵列；然后以纳米硅柱阵列为模板，通过原子层沉积法均匀制备ZnO薄膜；接着用水浴法组装一定形状的纳米氧化锌片硅柱阵列，退火处理后，磁控溅射纳米银构筑复合芯片，得到超灵敏表面增强拉曼有序复合阵列芯片。

2)铀酰离子DNAzyme反应液的配备：

将与铀酰离子有特异性响应的双链DNA拿出解冻，离心后配置成一定浓度，备用。

3)SERS生物传感芯片的修饰；

将与双链DNA有部分碱基互补的单链DNA拿出解冻，离心后配置成一定浓度，滴在步骤一新制备好的干净的SERS基底上，将基底放置在湿润的环境中，孵育8h。接着将修饰好DNA的SERS基底用纯水冲洗，浸没在6-巯基-1-乙醇的水溶液中一段时间。

4)铀酰离子的表面增强拉曼检测；

将一定浓度的铀酰离子水样滴入到步骤2)配置好的双链DNAzyme反应液中，反应一段时间，并将混合液滴在步骤3)处理后的SERS基底上，反应一段时间后，做拉曼检测。

更进一步的方案是：

步骤2)所述与铀酰离子有特异性反应的DNAzyme核苷酸序列，包括：酶链部分：

CACGTCCATCTCTGCAGTCGGGTAGTTAAACCGACCTTCAGACATAGTGAGT，从5位到3位。

底物链部分：TTAATCACTCACTATrAGGAAGAGATGGACGTG从5位到3位，其中，底物链部分的5位末端修饰有可产生拉曼信号的荧光分子RhB。

更进一步的方案是：

步骤2)中，离心时间不超过1min，转速不超过10000r.p.；配置的溶液浓度为1.6～50μM。

更进一步的方案是：

步骤2)中，离心时间不超过1min，转速6000r.p.；配置的溶液浓度为50μM。

更进一步的方案是：

步骤3)中的单链DNA序列为：ATAGTGAGTGATTAA从5位到3位，其中，该DNA序列的3位修饰有-(CH₂)₆-SH基团。

更进一步的方案是：

步骤3)中离心时间不超过1min，转速不超过10000r.p.；配置的溶液浓度为0.5～50μM。孵育温度不超过4℃。

更进一步的方案是：

步骤3)中，转速为6000r.p.；配置的溶液浓度为50μM。

更进一步的方案是：

步骤4)中，将一定浓度的铀酰离子水样滴入到步骤2)配置好的双链DNAzyme反应液中，反应时间为5～15min，并将混合液滴在步骤3)修饰好的SERS基底上，反应时间为20～160min。

更进一步的方案是：

步骤4)中，将一定浓度的铀酰离子水样滴入到步骤2)配置好的双链DNAzyme反应液中，反应时间为10min，并将混合液滴在步骤3)修饰好的SERS基底上，反应时间为120min。

更进一步的方案是：

除水溶液之外，其他溶液的溶剂均为PBS缓冲液，PBS缓冲液的浓度为10mM、pH＝7.4。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明利用标记有表面增强拉曼探针RhB的对铀酰离子具有特异性识别和切割作用的DNAzyme作为UO₂ ²⁺的生物传感单元、能与之发生底物链断裂反应，并将能够接收断裂序列的単链DNA修饰到具有表面增强拉曼散射效应的基底材料表面，实现对水样中痕量UO₂ ²⁺的高灵敏快速检测；所建立的检测方法具有灵敏度高、选择性好、抗基体干扰能力强、简单快速等优点，克服了传统UO₂ ²⁺离子检测方法仪器昂贵、前处理操作复杂等缺点，可用于水样中痕量铀酰离子的现场快速和低成本检测；探测限低至1×10^-13M，能够超灵敏检测铀酰离子，可满足实际水样中痕量UO₂ ²⁺离子的现场快速检测需要，无需借助大型昂贵的仪器；

(2)本发明的方法操作简单，检测速度快，检测整个过程在2.5小时之内完成。

(3)本发明所建立的检测方法具有良好的选择性，其它15种常见离子(Ag⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺、Ca²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺、Th⁴⁺、Zn²⁺、Ba²⁺、Mn²⁺)，不干扰UO₂ ²⁺离子的检测；

(4)本发明所建立的检测方法具有良好的抗基质干扰能力，检测水样无需复杂的前处理过程，只需要过滤去除水样中的沙土及悬浮物，便可立即检测。

附图说明

图1是本发明实施例一铀酰离子传感器制作，检测过程示意图；

图2是本发明实施例一不同浓度的铀酰离子溶液的SERS检测图。

图3是本发明实施例一不同浓度的铀酰离子溶液的标准曲线图。

图4是本发明实施例二中干扰离子测试结果图。

具体实施方式

实施例一

一种基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，包括如下步骤：

1)SERS基底的制备：

先用光刻法结合深硅刻蚀技术，在硅片上刻蚀一定排列方式的纳米硅柱阵列；然后以纳米硅柱阵列为模板，通过原子层沉积法均匀制备ZnO薄膜；接着用水浴法组装一定形状的纳米氧化锌片硅柱阵列，反应液为尿素和硝酸锌溶液(1:1),退火处理后，磁控溅射纳米银构筑复合芯片，得到超灵敏表面增强拉曼有序复合阵列芯片。

2)铀酰离子DNAzyme反应液的配备：

将能与铀酰离子有特异性响应的双链DNA拿出解冻，离心时间60s，转速6000r.p.；配置成50μM溶液，备用。

3)SERS生物传感芯片的修饰；

将能与双链DNA有部分碱基互补的单链DNA拿出解冻，离心时间60s，转速6000r.p.；配置成50μM溶液，滴在上述新制备好的干净的SERS基底上，将基底放置在湿润的环境中，保持温度为4℃，孵育8h。接着将修饰好DNA的SERS基底用纯水冲洗，浸没在6-巯基-1-乙醇(MCH)的水溶液中6-12个小时，优选8小时以上，将其自组装在基底表面，以降低DNA在材料表面的非特异性吸附，并防止待测分子与金属材料直接作用。用MCH处理后的基底用去离子水冲洗干净，氮气吹干。

4)铀酰离子的表面增强拉曼检测；

将一定浓度的铀酰离子水样滴入到步骤2)配置好的双链DNAzyme反应液中，反应一段时间，并将混合液滴在步骤3)修饰好的SERS基底上，反应一段时间后，做拉曼检测。

与铀酰离子有特异性反应的DNAzyme核苷酸序列，包括：酶链部分：

CACGTCCATCTCTGCAGTCGGGTAGTTAAACCGACCTTCAGACATAGTGAGT从5位到3位

底物链部分：TTAATCACTCACTATrAGGAAGAGATGGACGTG从5位到3位，其中，底物链部分的5位末端修饰有可产生拉曼信号的荧光分子，如RhB。步骤3)中的单链DNA序列为：ATAGTGAGTGATTAA从5位到3位，其中，该DNA序列的3位修饰有-(CH₂)₆-SH基团。图1为铀酰离子传感器制作，检测过程示意图，图2为不同浓度的铀酰离子溶液的SERS检测图。图3是不同浓度的铀酰离子溶液的标准曲线图。

实施例二

1)SERS基底的制备：

先用光刻法结合深硅刻蚀技术，在硅片上刻蚀一定排列方式的纳米硅柱阵列；然后以纳米硅柱阵列为模板，通过原子层沉积法均匀制备ZnO薄膜；接着用水浴法组装一定形状的纳米氧化锌片硅柱阵列，反应液为尿素和硝酸锌溶液(1:1),退火处理后，磁控溅射纳米银构筑复合芯片，得到超灵敏表面增强拉曼有序复合阵列芯片。

2)铀酰离子DNAzyme反应液的配备：

将能与铀酰离子有特异性响应的双链DNA拿出解冻，离心时间60s，转速6000r.p.；配置成50μM溶液，备用。

3)SERS生物传感芯片的修饰；

将能与双链DNA有部分碱基互补的单链DNA拿出解冻，离心时间60s，转速6000r.p.；配置成50μM溶液，滴在上述新制备好的干净的SERS基底上，将基底放置在湿润的环境中，保持温度为4℃，孵育8h。接着将修饰好DNA的SERS基底用纯水冲洗，浸没在6-巯基-1-乙醇(MCH)的水溶液中6-12小时，优选为8小时。将其自组装在基底表面，以降低DNA在材料表面的非特异性吸附，并防止待测分子与金属材料直接作用。用MCH处理后的基底用去离子水冲洗干净，氮气吹干。

4)铀酰离子的表面增强拉曼检测；

将一定浓度的重金属离子(如Ag⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺、Ca²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺、Th⁴⁺、Zn²⁺、Ba²⁺、Mn²⁺)水样分别滴入到步骤2)配置好的双链DNAzyme反应液中，反应一段时间，并将混合液滴在步骤3)修饰好的SERS基底上，反应一段时间后，做拉曼检测。与铀酰离子有特异性反应的DNAzyme核苷酸序列，包括：酶链部分：

CACGTCCATCTCTGCAGTCGGGTAGTTAAACCGACCTTCAGACATAGTGAGT从5位到3位，

底物链部分：TTAATCACTCACTATrAGGAAGAGATGGACGTG从5位到3位，其中，底物链部分的5位末端修饰有可产生拉曼信号的荧光分子，如RhB。步骤3)中的单链DNA序列为：ATAGTGAGTGATTAA从5位到3位，其中，该DNA序列的3位修饰有-(CH₂)₆-SH基团。图4是本发明实施例二中干扰离子测试结果图。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (10)

1.一种基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)SERS基底的制备：

先用光刻法结合深硅刻蚀技术，在硅片上刻蚀一定排列方式的纳米硅柱阵列；然后以纳米硅柱阵列为模板，通过原子层沉积法均匀制备ZnO薄膜；接着用水浴法组装一定形状的纳米氧化锌片硅柱阵列，退火处理后，磁控溅射纳米银构筑复合芯片，得到超灵敏表面增强拉曼有序复合阵列芯片；

2)铀酰离子DNAzyme反应液的配备：

将与铀酰离子有特异性响应的双链DNA拿出解冻，离心后配置成一定浓度，备用；

3)SERS生物传感芯片的修饰；

将与双链DNA有部分碱基互补的单链DNA拿出解冻，离心后配置成一定浓度，滴在步骤一新制备好的干净的SERS基底上，将基底放置在湿润的环境中，孵育8h；接着将修饰好DNA的SERS基底用纯水冲洗，浸没在6-巯基-1-乙醇的水溶液中一段时间；

4)铀酰离子的表面增强拉曼检测；

将一定浓度的铀酰离子水样滴入到步骤2)配置好的双链DNAzyme反应液中，反应一段时间，并将混合液滴在步骤3)处理后的SERS基底上，反应一段时间后，做拉曼检测。

2.根据权利要求1所述基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，其特征在于：

步骤2)所述与铀酰离子有特异性反应的DNAzyme核苷酸序列，包括：酶链部分：

CACGTCCATCTCTGCAGTCGGGTAGTTAAACCGACCTTCAGACATAGTGAGT从5位到3位；

底物链部分：TTAATCACTCACTATrAGGAAGAGATGGACGTG从5位到3位，其中，底物链部分的5位末端修饰有可产生拉曼信号的荧光分子RhB。

3.根据权利要求1所述基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，其特征在于：

步骤2)中，离心时间不超过1min，转速不超过10000r.p.；配置的溶液浓度为1.6～50μM。

4.根据权利要求3所述基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，其特征在于：

步骤2)中，离心时间不超过1min，转速6000r.p.；配置的溶液浓度为50μM。

5.根据权利要求1所述基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，其特征在于：

步骤3)中的单链DNA序列为：ATAGTGAGTGATTAA从5位到3位，其中，该DNA序列的3位修饰有-(CH₂)₆-SH基团。

6.根据权利要求1所述基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，其特征在于：

步骤3)中离心时间不超过1min，转速不超过10000r.p.；配置的溶液浓度为0.5～50μM；孵育温度不超过4℃。

7.根据权利要求6所述基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，其特征在于：

步骤3)中，转速为6000r.p.；配置的溶液浓度为50μM。

8.根据权利要求1所述基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，其特征在于：

步骤4)中，将一定浓度的铀酰离子水样滴入到步骤2)配置好的双链DNAzyme反应液中，反应时间为5～15min，并将混合液滴在步骤3)修饰好的SERS基底上，反应时间为20～160min。

9.根据权利要求8所述基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，其特征在于：

步骤4)中，将一定浓度的铀酰离子水样滴入到步骤2)配置好的双链DNAzyme反应液中，反应时间为10min，并将混合液滴在步骤3)修饰好的SERS基底上，反应时间为120min。

10.根据权利要求1至9任一权利要求所述基于SERS技术快速检测水环境中痕量铀酰离子的方法，其特征在于：

除水溶液之外，其他溶液的溶剂均为PBS缓冲液，PBS缓冲液的浓度为10mM、pH＝7.4。