汪小琳研究员团队：基于SERS-微流控联用的分析方法实现铀酰离子的快速、灵敏检测

针对核应急事故发生后急需的快速预警分析需求，汪小琳研究员团队开发了一种可更换SERS基底的SERS-微流控芯片。结合DNA适配体探针，该芯片可对天然水样中的铀酰离子（UO₂²⁺）进行快速、高灵敏度、高通量的检测，检测极限为3.71×10^-15 M，是目前对UO₂²⁺离子检测的最灵敏的方法。 

近年来，随着核能事业的发展，铀消耗量的不断增加造成了严重的铀污染。铀酰离子(UO₂²⁺）是水环境中最稳定的铀化学形式，具有很高的生物利用度，会对人体健康造成极大的危害。目前，环境中检测铀常用的方法主要有ICP-MS，X-射线荧光法等，但都存在灵敏度不高、检测信号弱、依赖大型仪器等问题，难以实现核事故发生后核应急需要的现场快速分析。

表面增强拉曼散射(SERS)是一种基于拉曼散射的新型痕量表征技术。SERS技术不需要复杂的前处理过程，检测耗时短、响应快、操作简便，且随着小型化拉曼光谱仪的普及，结合SERS基底，可以在复杂现场环境开展检测工作，是一种适合应用于核应急情况下的痕量铀酰离子现场检测的新兴技术。然而，现有SERS研究主要集中在铀酰离子的吸附规律和种态分析，对真实环境样品进行快速、准确、高通量现场检测的报道还很匮乏。

中国工程物理研究院汪小琳研究员团队首先设计了对UO₂²⁺离子有特异性识别的双链DNA，并在底物链的5位端标记了信报分子罗丹明B（RhB）。将双链DNA和待测UO₂²⁺离子溶液分别通入微流控芯片的管道中，DNA酶裂解反应在微流控狭长的U型微通道中进行。反应后，双链DNA的底物链在rA位点发生断裂，标记有RhB的裂解产物被分流成三份并行样品，供三片SERS生物芯片进行高通量并行测试。SERS生物芯片是已经用单链DNA(ssDNA)修饰的三维ZnO-Ag介孔纳米片有序阵列，其中ssDNA是与反应产物中5′-RhB标记的裂解DNA(csDNA)互补的序列。两者退火成双链后，信报分子RhB被贴近到三维ZnO-Ag复合基底表面，产生拉曼信号。通过拉曼信号的强弱，间接反应UO₂²⁺的浓度变化。通过建立标准曲线，并根据计算公式得到该传感器对UO₂²⁺的检测极限(LOD)为3.71×10^-15 M。这一结果明显满足美国环境保护署(EPA)的要求（130 nM）。与最近两年报道的其他分析方法相比，这是目前对UO₂²⁺离子检测的最灵敏的方法。此外,当UO₂²⁺离子浓度只有其他15种有毒金属离子浓度的0.005%时，这种生物传感器仍然可以显示优良的选择性识别UO₂²⁺离子的能力。接着，作者利用生物传感器对五种不同浓度(n=6)模拟受到UO₂²⁺离子污染的自来水和河水进行检测。通过缓冲溶液冲洗，将芯片重复使用2次，每个浓度级就可获得6个并行数据，表明其高效的检测能力。同时，五种不同浓度(n=6)的样品回收率为95.2%~106.3%，RSD值为2.6%~5.8%。此外，整个DNA酶裂解反应和高通量并行检测可以在可重复使用的SERS-微流控生物传感器上进行3次以上。

Figure 1. (a) SERS responses of RhB measured from ZnO-Ag MNS biochips with increasing concentration of UO₂²⁺ from 10^-13 to 10^-7 M; (b) Raman intensity of RhB at the 1650 cm⁻¹ band plotted against increasing UO2²⁺ concentration. The inset provides the dynamic range of the ZnO-Ag MNS biochips for UO₂²⁺ detection; (c) Specificity of SERS-microfluidic biosensor for UO₂²⁺ detection；(d) Detection performance after cleaning treatment.

该方法使检测不再依赖于实验室平台，而是可以携带便携式拉曼光谱仪到现场，配合芯片开展快速检测和监控。同时，该芯片还可以避免其他污染，提高生物探针利用率，提高检测精度，也将大大提高UO₂²⁺离子检测的效率并降低成本。这也是首次报道可重复使用的微流控-SERS芯片对UO₂²⁺离子的快速检测。虽然该文仅研究了基于SERS的微流控生物传感器在UO₂²⁺离子检测中的应用，但这种可重复使用和高通量检测的理念有望拓展到现场快速检测其他分析物(如农药PCB-77或金属离子)。

近日，该成果以“Ultra-sensitive detection of uranyl ions with a specially designed high-efficiency SERS-based microfluidic device”为题，在线发表于Science China Chemistry , 2019, DOI: 10.1007/s11426-019-9468-x。论文第一作者何璇博士，通讯联系人汪晓琳研究员。

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