基本信息
- 项目名称：
- 超高灵敏度汞离子检测试纸条
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品针对汞污染监测的需求，基于极为特殊的胸腺嘧啶（T碱基）与Hg2+之间的T—Hg2+—T错配行为合成了特异性DNA探针，采用极高摩尔吸光系数的纳米金显色，结合免疫层析技术开发了汞离子（Hg2+）检测试纸条生物传感器。检测下限达0.001 mg/L，是目前汞试纸条中灵敏度和选择性最高的产品。且其操作简单、成本低廉，实现了对饮用水、江河湖水、工业污水等大多数水样品中Hg2+的快速现场半定量检测。
- 详细介绍：
- 重金属汞属环境污染持久的剧毒物质，汞污染已成为全球性重大环境问题，亦引起了我国政府的高度重视，汞污染防治已被列为“十二五规划”重大专项。我国是汞的生产、使用和排放大国，汞污染防治形势十分严峻。汞的分析与监测技术是汞污染防治的基础。目前成熟的汞检测技术多是借助大型分析仪器，无法满足廉价、快速的现场检测需求。而商品化的快速检测仪器和汞试纸条，其灵敏度低（检测下限为0.1mg/L），达不到国标规定的限值（污水0.05mg/L，饮用水0.001mg/L），且选择性差，无法满足灵敏、准确的检测要求。因此，研究一种新型检测方法，可以灵敏、准确、简单、快速、价廉地现场检测重金属Hg2+，是当前的迫切需要。 本作品开发的试纸条生物传感器，由PVC薄板上依次搭接的样品垫、结合垫、硝酸纤维素膜（NC膜）、吸水垫组成。特异性DNA探针为：一端结合纳米金粒子（AuNPs）、另一端结合生物素的单链a-DNA，涂覆在结合垫上；单链b-DNA包被的检测线位于NC膜中部，链霉亲和素包被的质控线位于NC膜上部。检测过程如下：样品溶液滴加在样品垫上，在吸水垫和NC膜的毛细作用下上行，经过结合垫时，特异性DNA探针溶解在样品溶液中一起上行。在检测线上，一部分特异性DNA探针、Hg2+、b-DNA通过特异性的T—Hg2+—T错配行为形成双链DNA而被固定，特异性DNA探针链端的AuNPs使检测线显红色。过量的特异性DNA探针继续上行至质控线，其链另一端的生物素与质控线上的链霉亲和素发生特异性结合，特异性DNA探针再次被捕获而使质控线显红色。利用套装产品中的消解液可以实现总Hg检测。 本研究小组基于纳米金和特异性DNA探针研制的Hg2+检测试纸条，其灵敏度达0.001 mg/L，能特异性识别Hg2+、操作简单、成本低、稳定性好，可用于大多数水样品中Hg2+的检测，有利于建立重金属污染预警机制，具有良好的应用前景和产业化前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、目的 开发一种汞离子检测试纸条，实现对汞离子的高灵敏度、高选择性、简便、快速、价廉的现场检测。 二、基本思路 （1）问题提出 汞污染已成为全球性灾难，中国又是生产、使用和排放汞最大的国家，防治汞污染的前提是全面监控。 （2）问题分析 目前已开发出的汞检测方法，均不能同时满足灵敏、准确、简单、快速、价廉的现场检测需要，难以满足日益增长的汞检测需求。 （3）问题解决 本作品制备了能对Hg2+有特异性识别性能的DNA探针，并以具有优异光学特性的纳米金作为显色单元，再结合免疫层析技术，成功开发了检测限达0.001 mg/L的Hg2+检测试纸条。 三、主要创新点 基于纳米金和特异性DNA探针，开发出检测限达0.001 mg/L的超高灵敏试纸条，实现“结合—分离—检测—质控”一体化，完成对Hg2+的灵敏、准确、简单、廉价地快速现场检测。 四、技术关键 (1) 特异性DNA探针的设计与合成。基于特异性DNA和纳米金而设计开发的特异性DNA探针同时具备三项功能：①显色功能；②特异性识别Hg2+功能；③质控功能。 (2) 结合垫的制备。优化处理后的结合垫，既能保留特异性DNA探针，使其处于一种有效的状态，又能有效地释放特异性DNA探针。 五、主要技术指标 (1) 检测限：0.001 mg/L； (2) 能特异性识别和检测Hg2+，其它金属离子无干扰。
科学性、先进性
- 本作品的科学性和先进性主要包括如下几点： (1) 超高灵敏度（检测限达到0.001 mg/L）——这是基于① 本作品设计了特异性DNA探针，两端分别结合生物素和纳米金，利用极高摩尔吸光系数的纳米金作为显色剂，具有极佳的显色效果；②试纸条的白背景使显色更加明锐，人肉眼更加容易识别；③试纸条具有过滤和层析展开作用，能有效消除悬浮颗粒物和有色干扰物质对显色的影响。 (2) 超高选择性（常见的金属离子均无干扰）——这是基于本作品利用了一种极为特殊的配位化学反应：在Hg2+存在情况下，两个胸腺嘧啶（T碱基）之间会发生T—Hg2+—T错配，其他任何金属离子（Mn+）都不会发生此种错配行为。 (3) 样品无需复杂预处理（大部分水样品可直接测定）。 (4) 检测时间短（5～10分钟）。 (5) 检测成本低（2～5元/次）。 (6) 易用（随身携带，即测即有）。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品于2011年5月29日，荣获省第12届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。 本作品于2011年3月16日，经过福建省计量科学研究院鉴定，获得检测证书（证书编号：(MLY)E3/11-00319）。鉴定结果：0.01 mg/L Hg2+呈阳性；混合溶液（Pb2+、Cd2+、Co2+、Zn2+，浓度均为1 mg/L）呈阴性。 （特别声明：本检测报告为3月份的检测结果，经过本研究组近3个月的不断优化，目前本试纸条的检测限已经达到0.001 mg/L）
作品所处阶段
- 已基本完成定性和半定量测定Hg2+的全部技术工作，已制备出产品样品，成果已经处于可转化阶段前期。
技术转让方式
- 拟优先引入风险投资进行创业，亦可采取以技术入股的形式进行项目合作或专利转让。
作品可展示的形式
- 实物、产品；图片；样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、使用说明: 撕开包装袋，取出试纸条，将待测样品液滴入样品孔，平放于洁净平面，数分钟后观察检测结果：检测线和质控线均显红色为阳性（含Hg2+），检测线无色而质控线红色为阴性（不含Hg2+），两条线均无色或只有检测线红色则失效。一次性使用。 二、技术特点和优势: 灵敏度超高（0.001mg/L）、选择性好（常见金属离子均无干扰）、检测成本低（2～5元/次）、样品无需复杂预处理、操作简单。灵敏度和选择性两项指标比目前市售商品优势显著。 三、适应范围: 简易型适用于饮用水，通用型适用于江河湖水和轻度污染的工业污水，专业型适用于各类工业污水。 四、推广前景的技术性说明: 本作品所采用的技术方案尚未有市场应用；技术含量高，短期内难以被模仿。 五、市场分析: 市场前景良好，因为：市场需求巨大；价格优势明显；竞争对手少。 六、经济效益预测: 根据中国涉汞生产企业、环保监测部门，以及人口的总数量，最保守估计，每年至少消耗试纸条一千万条，经济效益两千余万元。
同类课题研究水平概述
- 已经成熟的汞检测技术主要包括四大类：①传统显色剂显色—分光光度法；②多种现代仪器分析技术；③一些便携式检测仪器；④基于传统显色剂的现场检测试纸条。前两类技术的不足在于不能进行廉价的现场快速检测，而后两类技术在于检测下限约为0.1 ~ 2 mg/L，无法达到国标检测要求，且选择性差。 纳米金粒子(AuNPs) 的摩尔吸光系数比传统的有机显色剂高约3 ~ 5个数量级，浓度低至nmol/L的AuNPs即可用肉眼直接观察。基于AuNPs的高灵敏度比色法已经初步发展成具有高选择性、高灵敏度的生物分析检测手段，相关论文大多发表于Nature、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.等顶级期刊上，表明了国内外同行的高度关注。另外的研究发现了一种极为特殊的配位化学反应：Hg2+存在下，两个胸腺嘧啶（T碱基）之间会发生T—Hg2+—T错配，其他任何金属离子都不会发生此种错配行为，因此，对Hg2+的识别具有高度的选择性。 依据T—Hg2+—T特殊错配复合物的特性，借助AuNPs的高灵敏度显色，最新文献报道了Hg2+的高灵敏度比色测定方法，检测下限可达1～10 nmol/L（相当于0.0002～0.002 mg/L)。但上述研究成果目前还仅限于专业的研究型实验室使用，不适用于现场快速限量检测，尤其是对于有颜色背景的样品，受干扰严重。至今尚未有适用于现场快速检测Hg2+的超高灵敏试纸条的研究报道。 综上，与本项目密切相关的国内外研究现状和发展趋势可归纳为：①基于AuNPs和特异性DNA探针，建立高灵敏度比色法测定Hg2+，是当前的研究热点，但不适用于现场快速检测；②采用该方法原理，开发了检测限达nmol/L（相当于0.0002～0.002 mg/L)水平的超高灵敏度汞试纸条，可以快速、简便、灵敏、准确、低成本地现场检测Hg2+，至今尚未见报道。
