一款可识别全系稀土元素的超灵敏DNA探针

稀土元素广泛应用于高科技行业，如永磁材料、发光材料、电子元件等。但随着大规模开采利用，稀土元素污染也日益严重，威胁着环境和人体健康。识别和检测稀土元素，对环境监测和资源回收利用都至关重要。现有的检测手段，如电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)和质谱(ICP-MS)等，虽然灵敏度很高，但需要复杂的仪器设备和专业的技术人员，无法进行现场快速检测。因此，急需开发简单高效的新型生物传感器来检测稀土元素。DNA分子表现出了一些有趣的稀土识别特性，可以成为构建这类生物传感器的绝佳选择。本项研究通过SELEX技术，成功筛选出一款DNA探针，能够识别并区分整个稀土元素系列，为稀土元素的快速检测提供了新思路。

图1 摘要图

超强亲和力识别全系稀土

研究团队以钪离子(Sc³⁺)作为靶标，通过亲和物分选技术(SELEX)筛选出了两个DNA探针——Sc-1和Sc-2。在对它们的进一步研究中，发现Sc-1探针表现尤为出色。通过使用一种叫做硫黄T(ThT)的荧光探针，发现Sc-1探针能特异性地与全部17种稀土元素离子(包括钪、钇和15种镧系元素)发生结合，但并不与其他金属离子产生反应。这说明Sc-1探针具有优异的针对性和选择性。值得一提的是，Sc-1探针与稀土元素的结合表现出很强的亲和力。通过测定解离常数(Kd)，发现Sc-1探针与17种稀土元素的Kd值都在纳摩尔级别，这远优于常规DNA对金属离子的微摩尔级别的亲和力。这意味着Sc-1探针可以很好地识别并捕获稀土元素。

此外，通过进一步研究发现，Sc-1探针对不同稀土元素的亲和力也存在很大差异。从镧(La)到镱(Lu)，亲和力随着原子序数的增加而逐步增强。这种趋势与稀土元素离子半径逐渐减小、配位能力增强的规律高度吻合。通过设计一个基于荧光信号的探针，研究团队成功测出了Sc-1探针与17种稀土元素的Kd值，从0.6 nM(钇和镥)到258.5 nM(镧)不等。这些数据充分说明，Sc-1探针具备区分不同稀土元素的能力。

图2 (A) Sc³⁺选择实验第 14 轮文库中前 10 个序列的比对。(B) Sc-1 和 (C) Sc-2 适体的二级结构。

缓慢的结合动力学，独特的识别特性

更有意思的是，Sc-1探针与稀土元素的结合动力学表现也非常独特。例如，Sc-1探针与Sc³⁺离子的结合速度非常缓慢，需要3分钟才能达到稳定。而与镝(Tb³⁺)离子结合就快得多，只需10秒左右。这说明不同稀土元素与探针的结合机制并不相同。更有趣的是，当加入强螯合剂EDTA时，Sc³⁺离子与探针的复合物几乎不会发生解离，而其他稀土元素的复合物都会快速解离。这种孤立的行为可能来源于Sc³⁺离子自身的特性。Sc³⁺离子的离子半径最小，配位能力最强，交换动力学也最慢，从而使得它与探针形成的复合物极其稳定。

通过结合亲和力和动力学特性，研究团队利用这一探针将全部17种稀土元素划分为3大类:

第一类包括镧、铈、镨、钕、钐、铕和钆，这些元素的复合物与EDTA很快发生解离;

第二类包括铽、镝、钬、铒、铥、镱和锇，其复合物的解离速度较慢;

第三类只有钪，与探针形成的复合物几乎不会被EDTA解离。

这种利用单一探针就能实现多层次识别的能力，在检测稀土元素的灵敏度、选择性和精确性方面都具有独特优势。

图3 (A) 用于检测 Sc³⁺的荧光结构转换信号适体传感器示意图。(B) 在SELEX缓冲液中存在不同浓度的Sc³⁺时，20 nM传感器的动力学轨迹。(C)传感器对Sc³⁺的校准曲线。(D)传感器对所有稀土离子的10和500 nM选择性。(E)传感器对其他金属离子的50和5000 nM 选择性。

NMR表征，揭示结合机理

为了进一步理解Sc-1探针与稀土元素结合的机制，研究团队还开展了NMR表征实验。结果发现，当Sc³⁺加入到Sc-1探针溶液中时，NMR谱图发生了显著变化。在12-13 ppm区域出现了4-5个尖锐峰，这可能代表了探针中Watson-Crick碱基配对的存在。而当Sc³⁺浓度增加时，9.5-11.5 ppm区域出现了更多的峰，这些可能归属于非Watson-Crick配对。这种谱图变化说明，Sc³⁺的结合引发了探针的构象改变，从原来的部分解折叠状态转变为具有更多非经典配对的新结构。这就解释了为什么Sc³⁺与探针结合后会表现出独特的动力学特性。

总之，通过对Sc-1探针与稀土元素结合过程的详细分析，研究团队阐明了这一DNA探针的工作机理。它能以超高的亲和力识别全部17种稀土元素，并通过动力学差异将它们进行有效区分。这一发现不仅为稀土元素的快速检测提供了新技术支撑，也为利用DNA材料探索金属离子识别的极限提供了重要参考。

应用前景广阔

基于上述研究成果，研究团队还设计了一种基于Sc-1探针的荧光传感器，实现了对Sc³⁺离子的超灵敏检测。传感器的工作原理是，Sc-1探针一端标记有荧光团，另一端标记有猝灭团。当Sc³⁺离子存在时，探针会与之结合而发生构象变化，导致荧光发射增强。通过检测荧光强度变化，就能定量检测Sc³⁺离子的浓度。

应用实验显示，这一Sc³⁺传感器不仅在缓冲溶液中表现出优异的检测性能(检测下限仅0.9 pM)，在湖水样品中也能实现高灵敏、高选择性的Sc³⁺检测，检出限达0.44 nM。这为Sc³⁺在环境样品中的快速定量检测提供了有力工具。

总之，这项基于Sc-1 DNA探针的研究在几个方面都取得了重要进展:

1.筛选出了一款能特异性识别全系稀土元素的DNA探针，弥补了现有识别手段的局限性。

2.首次系统地研究了DNA探针与稀土元素的亲和力和结合动力学，发现了独特的识别机制。

3.设计并验证了基于Sc-1探针的高灵敏、高选择性的Sc³⁺检测传感器，实现了环境样品中痕量Sc³⁺的快速检测。

这些成果不仅大大完善了稀土元素检测分析的技术手段，也为探索生物分子材料识别金属离子的极限提供了新的突破口。相信未来这一技术必将在环境监测、资源回收、生物医学等领域得到广泛应用，为人类社会的可持续发展作出重要贡献。

参考文献：https://doi.org/10.1021/jacs.4c13768