美國內布拉斯加大學林肯分校(University of Nebraska-Lincoln;UNL)的研究人員開發出一系列的金屬探測生物感測器,其中包括一款金質感測器。這種金質感測器是在紙帶上製造出相當於石蕊試紙條的大小,專為滿足低成本、便於攜帶且能重覆使用的需求而設計。

內布拉斯加大學林肯分校化學系副教授Rebecca Lai正致力於在各種不同的發展階段研究能夠檢測汞、銀或鉑的感測器。類似的技術還可應用於尋找鎘、鉛、砷或其他的金屬與非金屬。這些感測器的主要目的在於檢測水中的污染物。

研究人員們希望,有一天人們不必再將水質樣本送到實驗室進行費時的檢測,只需使用生物感測器定期地監測家庭供水中是否出現鉛、汞、砷或其他危險的污染物。

![20160301 UNL NT02P1](//images.eettaiwan.com/15mr7p4rjmth/2clTM97ZW0MeqyKEIwu8Ye/7f510042e1cb908fde830a89e53c28e7/20160301_UNL_NT02P1.jpg)
DNA探針固定在包含於線圈的金屬(金)電極。從晶體中央加入約10微升(ul)的水質樣本至感測器進行檢測。附加於接觸焊墊的白、綠和紅色導線連接至手持式電源
(來源:Northeastern University)

Rebecca Lai正是致力於尋找更佳新方法的科學家之一。貴金屬不僅具有美觀與經濟價值,在醫療與科學應用上也有越來越多的需求,包括用於抗癌藥物、治療肺結核和風濕性關節炎的藥物等。

「對於採礦產業來說,為了採金進行地球化學探勘變得越來越重要,」Lai解釋,「而這需要開發出能在複雜的生物與環境樣本中辨識與量化金元素的靈敏、可選且具成本效益的分析方法。」

科學家們已經採用了幾種策略來尋找金元素,例如基於螢光的感測器、奈米材料以及使用基因改造大腸桿菌的全細胞生物感測器等。Lai正是一項在2013年探索以大腸桿菌作為金質生物感測器研究的共同作者。

DNA是幾乎所有生物有機體的基因資訊載體,似乎不太可能成為檢測金元素或其他金屬的方法。然而,Lai的研究利用觀察金屬離子與DNA四個基本建構模組(腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤和胸腺嘧啶)之間的長期互動。

不同的金屬離子具有與不同DNA鹼基的親近程度。例如,金感測器是基於金離子與腺嘌呤間的相互作用、汞感測器基於汞離子與胸腺嘧啶互動、銀感測器則以銀離子與胞嘧啶的相互作用為基礎。

新創公司NUtech Ventures已為內布拉斯加大學林肯分校開發的這項技術實現商用化,目前該公司正尋求專利保護,並為Lai的金屬離子感測器尋找授權合作夥伴。

「雖然已經針對這些相互作用進行了充份的研究,但卻還未實際用於電化學金屬離子感測應用,」Lai與博士研究生Yao Wu在最近發表於《分析化學》(Analytical Chemistry)期刊中的文章——「具有高靈敏度與可調動態範圍的電化學三價金(Ⅲ)感測器」一文中解釋。

這篇文章中還探討論腺嘌呤鏈如何用於該設計中,以及製造出這一類型的電化學生物感測器,以便能夠用於測量水質樣本中是否存在某種目標金屬及其於水中的濃度。

基於DNA的感測器能夠檢測來自金溶液中的金(Ⅲ)離子。汞和銀感測器還可檢測溶解的汞與銀離子。

「所檢測到的金(Ⅲ)離子必定來自金屬的金元素,因此,如果在供水中發現金,附近某處一定有金的沈積,」Lai解釋。不過,在基於DNA的生物感測器得以實現商用化以前,他們還需要進行更詳細的調整。

Lai的感測運作原理是藉由測量從電極傳送至示蹤分子(此例中為亞甲藍)的電流。由於少了金(III)離子,可觀察到相當高的電流,因為腺嘌呤鏈探針具有高度彈性,電子在電極與示蹤分子之間的轉移也十分有效率。

但該樣本在結合金(III)元素時,腺嘌呤DNA探針的靈活性受到阻礙,從而導致由示蹤分子而來的電流大量減少。此外,電流變化的程度可用於決定樣本中的金元素濃度。

為了讓這種感測器能重覆使用多次,可採用另一種配體從感測器上移除金(III)元素。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Can metal-detecting biosensors trigger a modern gold rush?,by Paul Buckley)