一种核酸适体功能化介孔二氧化硅汞离子吸附材料制备方法和应用

1.本发明涉及水环境中重金属离子吸附领域，具体来说，涉及一种核酸适体功能化介孔二氧化硅材料的制备及其在水中汞离子检测中的应用。


背景技术：

2.汞是一种常见的剧毒重金属离子，具有累积性、不可降解性以及致癌性，即使十分微小的剂量也能对人体造成危害。汞离子普遍存在于工业排放的废水中，包括采矿，冶炼，电镀，核工业等。世界卫生组织规定，生活用水中汞离子的允许浓度上限为0.002mg/l。如果人体接触过量的汞后会导致肾功能衰竭，肺部损伤乃至癌症。因此，考虑到汞对人体的巨大危害，快速、准确地检测工业废水中的汞离子是十分必要的。
3.目前，水中汞离子的检测方法有许多种，包括原子吸收光谱法(aas)、电感耦合等离子体
‑
原子发射光谱法(icp
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oes)、电感耦合等离子体质谱法(icp
‑
ms)、电化学法等。这些检测方法都各有优缺点。但是无论哪种检测方法，这些检测样品中的汞离子含量通常都是痕量的，因此为获得高选择性和低检出限的分析方法，常常需要一个预浓缩步骤。以吸附剂为基础的吸附法被证明是实现预浓缩最有效的方法。近年来，研究者们已成功利用碳纳米管、氧化铁纳米颗粒、石墨烯、活性炭、介孔硅纳米颗粒等吸附剂实现对水中汞离子的痕量检测。
4.介孔二氧化硅材料是指以表面活性剂形成的超分子结构为模板,利用溶胶
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凝胶工艺，通过有机物
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无机物界面间的定向作用，组装成孔径在2
‑
50nm之间，孔径分布窄且孔道结构规则的无机多孔材料。介孔二氧化硅材料具有很多特性，包括：粒子和孔的大小、粒子形状、多孔结构的可调节性，可进行表面修饰，良好的生物相容性，以及大的比表面积和孔体积。同时，与其他吸附剂相比，介孔二氧化硅材料具有高度适应性的结构和表面化学性质，以及较低的生产成本等优点，这使得介孔二氧化硅材料在色谱，催化，吸附，药物释放等领域都具有巨大的应用前景。
5.与其他生物基因核苷酸不同，核酸适体是合成的单链短寡核苷酸(20至80个碱基)没有任何编码信息，但具有格式良好的三维结构，可以与靶分子，蛋白质或细胞受体进行高亲和、高特异性相互作用。同时还具有适用的目标范围广、易合成、易修饰、化学性质稳定等特点。核酸适配体的发展为快速、高效识别技术的研究提供了一个新方向，以核酸适配体作为亲和配体用于富集、分离和检测等方面的研宄工作受到了高度的关注，展示出了良好的应用前景。


技术实现要素：

6.本发明的目的是制备一种重金属离子吸附材料，通过一步法合成氨基功能化介孔二氧化硅，利用醛基连接氨基与核酸适体，使核酸适体固定在介孔二氧化硅上，以实现对水中汞离子的选择性吸附。
7.为了制备出符合上述要求的吸附材料，本发明通过以下技术方案实现：一种重金属离子吸附材料，材料以具有多孔特性的氨基功能化介孔二氧化硅为载体，核酸适体通过醛基固定在载体上，形成同时具有吸附活性位点和微细孔道的dna
‑
nh2‑
msn。
8.一种所述的重金属离子吸附材料的制备方法，步骤如下：
9.(1)氨基功能化介孔二氧化硅(nh2‑
msn)的制备：十六烷基三甲基溴化铵溶于碱性环境溶液中，加热搅拌；加入四乙氧基硅烷，加热搅拌；再加入四乙氧基硅烷和3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷，加热搅拌充分反应，最终溶液中的反应物摩尔比为1.00四乙氧基硅烷:0.01
‑
0.033
‑
氨丙基三乙氧基硅烷:0.10十六烷基三甲基溴化铵:206.00去离子水；降至室温后，静置陈化；加入酸性乙醇溶液并超声反应，离心分离得到沉淀物；沉淀物再通过酸性乙醇溶液超声，接着离心分离出沉淀物，干燥后获得氨基功能化介孔二氧化硅，记为nh2‑
msn；
10.(2)杂交缓冲液的配置：称取三羟甲基氨基甲烷，配置tris
‑
hcl缓冲溶液；滴入氯化钠溶液；浓盐酸调节ph值在7～7.4左右即可；定容至100ml,作为母液；母液中加入氯化镁溶液,使得最终缓冲液中包含10mm三羟甲基氨基甲烷，50mm氯化钠和10mm氯化镁；超声即得到杂交缓冲液；
11.(3)核酸适体功能化介孔二氧化硅(dna
‑
nh2‑
msn)的制备：将干燥后的氨基功能化介孔二氧化硅(nh2‑
msn)研磨；将nh2‑
msn分散到含有戊二醛的去离子水中，室温下搅拌反应；将离心干燥获得的沉淀物溶于杂交缓冲液中，加入核酸适体溶液，振荡过夜；离心干燥并研磨，得到核酸适体功能化介孔二氧化硅，记为dna
‑
nh2‑
msn，溶于杂交缓冲液中并保存。
12.一种所述的重金属离子吸附材料的重金属离子吸附实验，步骤为：
13.(1)将核酸适体功能化介孔二氧化硅滴到干净的硅金片上，干燥后将硅金片放入汞样品溶液中,静置一段时间；
14.(2)取出硅金片，通过能谱仪分析核酸适体功能化介孔二氧化硅对水中汞离子的吸附性能。
15.有益效果：
16.(1)制备方法步骤简单，原料成本低廉，易于操作；
17.(2)最终成品尺寸小，但比表面积大，吸附性能好，未来可应用于纳米尺度的传感器。
附图说明
18.图1是实例1所得nh2‑
msn吸附汞离子前的扫描电镜图。
19.图2是实例1所得nh2‑
msn吸附汞离子后的扫描电镜图。
20.图3是实例1所得dna
‑
nh2‑
msn吸附汞离子前的扫描电镜图。
21.图4是实例1所得dna
‑
nh2‑
msn吸附汞离子后的扫描电镜图。
22.图5是实例2所得nh2‑
msn吸附汞离子前的扫描电镜图。
23.图6是实例2所得nh2‑
msn吸附汞离子后的扫描电镜图。
24.图7是实例2所得dna
‑
nh2‑
msn吸附汞离子前的扫描电镜图。
25.图8是实例2所得dna
‑
nh2‑
msn吸附汞离子后的扫描电镜图。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实例对本发明的技术方案进行清晰、完整的描述。
27.一种重金属离子吸附材料，该吸附材料以具有多孔特性的氨基功能化介孔二氧化硅为载体，核酸适体通过醛基固定在载体上，形成同时具有吸附活性位点和微细孔道的dna
‑
nh2‑
msn。
28.一种如上所述的重金属离子吸附材料的制备方法，具有如下步骤：
29.(1)氨基功能化介孔二氧化硅(nh2‑
msn)的制备：0.24g十六烷基三甲基溴化铵溶于20ml碱性环境溶液中，60℃下搅拌30min；加入1.2ml的四乙氧基硅烷，60℃搅拌30min；再加入0.3ml四乙氧基硅烷和30μl 3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷，60℃搅拌2.5h；降至室温后，静置陈化4h；加入酸性乙醇溶液并超声2h，离心分离得到沉淀物；沉淀物再通过酸性乙醇溶液超声2h，接着离心分离出沉淀物，干燥后获得氨基功能化介孔二氧化硅，记为nh2‑
msn。
30.(2)杂交缓冲液(tris
‑
hcl缓冲液)的配置：0.12114g的三羟甲基氨基甲烷溶于50ml去离子水，室温下搅拌1h；接着滴入1ml氯化钠溶液(5m),室温下搅拌30min；然后加入浓盐酸调节ph值在7～7.4左右；定容至100ml,作为母液；抽取6ml母液，加入4ml氯化镁溶液(25mm),超声5min即可得到杂交缓冲液。
31.(3)核酸适体功能化介孔二氧化硅(dna
‑
nh2‑
msn)的制备：将干燥后的氨基功能化介孔二氧化硅(nh2‑
msn)研磨；称取2.4mg nh2‑
msn分散到含有戊二醛的1ml去离子水中，室温下搅拌6h；将离心干燥获得的沉淀物溶于500μl杂交缓冲液中，加入100μl的核酸适体溶液，9℃下振荡过夜；离心干燥并研磨，得到核酸适体功能化介孔二氧化硅，记为dna
‑
nh2‑
msn，溶于杂交缓冲液中并保存在4℃。
32.一种如上所述的重金属离子吸附实验，具有如下步骤：
33.(1)将修饰核酸适体功能化介孔二氧化硅的硅金片放入汞样品溶液中,静置4h。
34.(2)取出硅金片，通过能谱仪分析核酸适体功能化介孔二氧化硅对水中汞离子的吸附性能。
35.实施例1核酸适体功能化介孔二氧化硅材料用于汞离子的检测。
36.核酸适体功能化介孔二氧化硅的制备：
37.(1)氨基功能化介孔二氧化硅(nh2‑
msn)的制备：0.24g十六烷基三甲基溴化铵溶于20ml氨水溶液中，60℃下搅拌30min；加入1.2ml的四乙氧基硅烷，60℃搅拌30min；再加入0.3ml四乙氧基硅烷和30μl 3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷，60℃搅拌2.5h；降至室温后，静置陈化3h；加入酸性乙醇溶液并超声2h，离心分离得到沉淀物；沉淀物再通过酸性乙醇溶液超声2h，接着离心分离出沉淀物，干燥后获得氨基功能化介孔二氧化硅。
38.(2)杂交缓冲液(tris
‑
hcl缓冲液)的配置：0.12114g的三羟甲基氨基甲烷溶于50ml去离子水，室温下搅拌1h；接着滴入1ml氯化钠溶液(5m),室温下搅拌30min；然后加入浓盐酸调节ph值在7～7.4左右；定容至100ml,作为母液；抽取6ml母液，加入4ml氯化镁溶液(25mm),超声5min即可得到杂交缓冲液。
39.(3)核酸适体功能化介孔二氧化硅(dna
‑
nh2‑
msn)的制备：将干燥后的氨基功能化介孔二氧化硅(nh2‑
msn)研磨；称取2.4mg nh2‑
msn分散到含有48μl戊二醛的1ml去离子水中，室温下搅拌6h；将离心干燥获得的沉淀物溶于500μl杂交缓冲液中，加入100μl的核酸适体溶液，9℃下振荡过夜；离心干燥并研磨，得到核酸适体功能化介孔二氧化硅，溶于杂交缓
冲液中并保存在4℃。
40.(4)汞离子的吸附：首先将5ml汞标准溶液(5μg/l)稀释至25ml,配置汞样品溶液(1μg/l)，接着用移液枪滴取一滴(10μl)前面得到的核酸适体功能化介孔二氧化硅至清洗干净的硅金片上，干燥后将修饰有介孔二氧化硅的硅金片放入汞样品溶液中,静置4h
41.产物表征：
42.扫描电镜图如图1
‑
4所示，可以清晰看到硅球的尺寸分布很不均匀，有直径300纳米的大硅球混杂在小硅球之中。
43.核酸适体功能化介孔硅吸附汞离子后的能谱分析如表1所示，汞离子的重量在排除硅的干扰后占比5.92％。
44.表1实例1核酸适体功能化介孔二氧化硅吸附汞离子后的元素组成
[0045][0046]
实施例2核酸适体功能化介孔二氧化硅材料用于汞离子的检测。
[0047]
核酸适体功能化介孔二氧化硅的制备：
[0048]
(1)氨基功能化介孔二氧化硅(nh2‑
msn)的制备：0.24g十六烷基三甲基溴化铵溶于15ml去离子水水溶液中，并滴入10滴四乙基乙二胺，60℃下搅拌30min；加入1.2ml的四乙氧基硅烷，60℃搅拌30min；再加入0.3ml四乙氧基硅烷和30μl 3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷，60℃搅拌2.5h；降至室温后，静置陈化3h；加入酸性乙醇溶液并超声2h，离心分离得到沉淀物；沉淀物再通过酸性乙醇溶液超声2h，接着离心分离出沉淀物，干燥后获得氨基功能化介孔二氧化硅。
[0049]
(2)杂交缓冲液(tris
‑
hcl缓冲液)的配置：0.12114g的三羟甲基氨基甲烷溶于50ml去离子水，室温下搅拌1h；接着滴入1ml氯化钠溶液(5m),室温下搅拌30min；然后加入浓盐酸调节ph值在7～7.4左右；定容至100ml,作为母液；抽取6ml母液，加入4ml氯化镁溶液(25mm),超声5min即可得到杂交缓冲液。
[0050]
(3)核酸适体功能化介孔二氧化硅(dna
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nh2‑
msn)的制备：将干燥后的氨基功能化介孔二氧化硅(nh2‑
msn)研磨；称取2.4mg nh2‑
msn分散到含有48μl戊二醛的1ml去离子水中，室温下搅拌6h；将离心干燥获得的沉淀物溶于500μl杂交缓冲液中，加入100μl的核酸适体溶液，9℃下振荡过夜；离心干燥并研磨，得到核酸适体功能化介孔二氧化硅，溶于杂交缓冲液中并保存在4℃。
[0051]
(4)汞离子的吸附：首先将5ml汞标准溶液(5μg/l)稀释至25ml,配置汞样品溶液(1μg/l)，接着用移液枪滴取一滴(10μl)介孔二氧化硅至清洗干净的硅金片上，干燥后将修饰有介孔二氧化硅的硅金片放入汞样品溶液中,静置4h。
[0052]
产物表征：
[0053]
从扫描电镜图中可以明显看出，将催化剂从氨水改变为有机胺四乙基乙二胺之
后，硅球的尺寸分布更加均匀，直径在20到30纳米之间。
[0054]
将表2与表3的数据进行比较，发现汞离子的重量百分占比有较为明显的提升，因此我们可以认定dna被成功嫁接到介孔二氧化硅上，并且提升了介孔二氧化硅对汞离子的吸附性能。
[0055]
表2实例2氨基功能化介孔二氧化硅吸附汞离子后的元素分布
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表3实例2核酸适体功能化介孔二氧化硅吸附汞离子后的元素组成
[0058]