电化学传感中的选择性分子相互作用：基于DNA的汞(II)捕获以及酶驱动的SeO?2?还原用于汞的去除

《Analytica Chimica Acta》：Selective molecular interplay in electrochemical sensing: DNA-templated Hg(II) capture and enzyme-driven SeO 42- reduction for mercury removal

DNA-酶修饰电极实现汞离子双功能检测与去除，通过胸腺嘧啶富集DNA捕获Hg2?形成T-Hg-T复合物，电化学阻抗谱（EIS）显示电荷转移电阻显著变化。硒还原酶（SeR）催化SeO?2?还原为SeO?2?，与捕获的Hg2?结合生成不溶HgSeO?沉淀，沉淀后EIS电阻恢复。该传感器在1.5×10??至9.0×10?? M范围内呈现线性响应，检测限达9.6×10?1? M（0.19 μg/L），优于多数文献方法。实际样品测试显示汞回收率90.3%-109.8%，抗干扰能力强。

　　在现代环境监测和污染治理中，重金属离子如汞（Hg(II)）因其对生态系统的破坏性影响而成为关注的焦点。汞具有强烈的生物累积性，能够在水体、土壤以及生物体内长期存在，进而对环境和人类健康构成严重威胁。因此，开发一种能够同时实现汞离子的高选择性检测和高效去除的新型传感器具有重要的现实意义。本研究提出了一种基于DNA-酶协同作用的双功能电化学传感器，该传感器利用富含胸腺嘧啶（T）的DNA序列选择性地捕获Hg(II)，并借助固定化的硒酸盐还原酶（SeR）将硒酸盐（SeO?2?）还原为亚硒酸盐（SeO?2?），从而实现Hg(II)的去除。这一设计不仅提升了汞检测的灵敏度和选择性，还为重金属污染的实时监测和治理提供了新的思路。

该传感器的工作原理基于DNA与金属离子之间的特异性结合以及酶促反应对污染物的转化。在电极表面，通过共价连接的方式固定富含T的DNA序列，使其能够特异性识别Hg(II)，形成稳定的T-Hg(II)-T复合物。这种结合不仅能够改变电极表面的结构，还会影响电子传递过程，从而通过电化学阻抗谱（EIS）等技术检测到明显的电荷转移电阻（R_CT）变化。随后，固定在电极上的SeR酶催化将SeO?2?还原为SeO?2?，这些还原产物能够与结合在DNA上的Hg(II)发生反应，形成不溶性的HgSeO?沉淀。这一过程不仅促进了汞的去除，还使得电极表面的结构恢复，从而在EIS中观察到R_CT的显著下降。这种结合了分子识别和催化反应的双重功能，使得传感器能够在检测的同时实现污染物的转化与去除，为环境修复提供了新的工具。

电化学分析结果显示，该传感器在检测Hg(II)时表现出优异的灵敏度和选择性。通过EIS技术，检测限达到了0.19 μg/L（即9.6 × 10?1? M），这一数值在环境应用中具有重要价值。同时，传感器在检测过程中表现出良好的抗干扰能力，能够有效区分其他金属离子和氧代阴离子，确保了其在复杂环境中的适用性。此外，该传感器在真实环境样品中的应用测试也显示了其良好的回收率，范围在90.3%至109.8%之间，进一步验证了其在实际场景中的可行性。动态光散射（DLS）研究则揭示了HgSeO?沉淀的形成与Hg(II)和Se(IV)的摩尔比密切相关，最稳定的沉淀形成发生在1:1的摩尔比条件下，这为优化传感器性能提供了理论依据。

为了进一步验证该传感器的双功能特性，研究者还进行了对照实验。这些实验表明，Hg(II)的检测主要依赖于DNA与金属离子的特异性结合，而SeR的催化作用则对Hg(II)的去除至关重要。没有DNA修饰的电极表面，在暴露于Hg(II)时未观察到显著的电化学响应，说明酶并未直接参与汞的检测过程。同样，在仅使用SeR而没有Hg(II)的情况下，也未观察到明显的R_CT变化，进一步证明了该传感器中DNA与酶之间的功能分离。这种结构设计不仅确保了传感器的高选择性，还提升了其在环境监测中的可靠性。

此外，该传感器在面对实际环境中的复杂干扰因素时，仍能保持良好的性能。通过实验发现，尽管存在溶解性有机物（DOM）和氯离子（Cl?）等常见干扰物，但传感器对Hg(II)的检测仍保持较高的灵敏度。这表明，该传感器具备良好的抗干扰能力，能够在真实环境中有效工作。同时，研究者还对传感器的环境适应性进行了评估，包括对自然水体和土壤样品的检测。结果显示，该传感器在不同样品中均能提供稳定且准确的检测结果，为环境监测提供了可靠的技术支持。

本研究还探讨了该传感器在实际应用中的潜力。通过将该传感器应用于真实环境样品，研究者发现其不仅能够准确检测Hg(II)，还能够在检测后通过酶促反应实现污染物的去除。这种双重功能的设计，使得该传感器能够在监测和治理重金属污染方面发挥重要作用。例如，在水体污染治理中，该传感器可以通过实时监测Hg(II)浓度，并在检测到污染时启动酶促反应，减少Hg(II)的生物可利用性，从而降低其对环境的毒性影响。在土壤污染修复中，该传感器同样表现出良好的性能，能够有效检测和去除土壤中的汞离子。

从技术角度来看，该传感器的构建依赖于对电极表面的精确修饰。首先，使用piranha溶液对金电极进行清洗，去除表面杂质，确保其表面的清洁度。随后，通过机械研磨和超声处理进一步细化电极表面，提高其与DNA和酶的结合效率。在DNA修饰阶段，使用特定的寡核苷酸（ODN）序列，并通过脂质连接剂（LPA-NHS）将其固定在电极表面。最后，将SeR酶通过相同的连接方式固定，形成完整的DNA-酶修饰电极。这种逐步修饰的方法不仅确保了各功能组分的有序排列，还提高了整个系统的稳定性与响应效率。

该传感器的性能优势不仅体现在其高灵敏度和选择性上，还在于其能够实现污染物的动态监测与去除。在电化学测量过程中，传感器能够实时反映Hg(II)与Se(IV)之间的相互作用，这种动态变化为环境中的污染物行为提供了重要的信息。通过EIS和循环伏安法（CV）等技术，可以追踪Hg(II)的结合、SeO?2?的还原以及HgSeO?的形成过程，从而全面了解传感器的响应机制。同时，该传感器的结构设计也为其在环境中的实际应用提供了保障，例如其在自然水体和土壤样品中的良好表现，表明其具备较强的环境适应能力。

综上所述，该研究提出的DNA-酶协同作用的双功能电化学传感器，不仅在Hg(II)的检测方面表现出色，还在污染物的去除过程中展现出良好的效果。通过结合DNA的分子识别能力和酶的催化转化功能，该传感器实现了对重金属污染的实时监测与有效治理。这种创新性的设计为未来开发更高效的生物电子平台提供了新的方向，同时也为重金属污染的防控提供了可行的技术方案。随着对环境问题的关注不断加深，此类传感器的应用前景将更加广阔，有望在环境保护和公共卫生领域发挥重要作用。