Rilevamento ripetibile di ioni Ag+ utilizzando un aptamero di DNA

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9692 (2022) Citare questo articolo

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Questo articolo descrive il rilevamento ripetibile degli ioni Ag+ utilizzando un sensore biochimico di idrogel legato ad aptameri di DNA integrato con un sistema di riscaldamento microfluidico. I sensori biochimici che rispondono ai composti chimici e producono segnali rilevabili hanno un ruolo fondamentale in molti aspetti della società moderna. In particolare, ci si potrebbe aspettare che la misurazione ripetibile di informazioni ambientali come le sostanze tossiche, inclusi gli ioni Ag+, migliori l'ambiente. L'aptamero del DNA è un candidato interessante per la stabilità e la selettività del legame con le sostanze chimiche. Tuttavia, i precedenti sensori biochimici aptameri del DNA non potevano effettuare misurazioni ripetute perché tali sensori non avevano funzioni di inizializzazione. Per superare questa sfida, abbiamo proposto un sensore biochimico di idrogel legato ad aptameri di DNA integrato con il sistema di riscaldamento microfluidico che consente il rilevamento ripetibile degli ioni Ag+. Gli ioni Ag+ leganti vengono dissociati mediante riscaldamento e lavaggio attraverso il dispositivo di riscaldamento microfluidico integrato. L'idrogel legato all'aptamero del DNA aveva la capacità di rilevare un ampio intervallo di concentrazioni di ioni Ag+ (10−5–10 mM) incluso un intervallo tossico per vari organismi acquatici. Infine, abbiamo dimostrato il rilevamento ripetibile degli ioni Ag+. Questi risultati hanno indicato che si prevede che il sensore biochimico proposto verrà utilizzato per il monitoraggio a lungo termine con elevata stabilità a temperatura ambiente e basso consumo energetico.

I sensori biochimici che rispondono ai composti chimici e producono segnali rilevabili hanno un ruolo fondamentale in molti aspetti della società moderna perché gli esseri umani sono molto meno sensibili all'ambiente chimico o biologico rispetto all'ambiente fisico come luce, pressione, temperatura o umidità1. Ad esempio, le molecole specifiche all'interno di un corpo umano come metaboliti, ioni metallici e ormoni riflettono la salute della persona, mentre le sostanze chimiche presenti nell'ambiente, inclusi metalli pesanti, esplosivi e tossine, possono influenzare piante e animali compreso l'uomo2,3. Per promuovere la salute di una persona e migliorare l'ambiente, è altamente prevedibile la misurazione ripetuta di tali informazioni biometriche e ambientali per un lungo periodo. Per la realizzazione di misurazioni ripetibili a lungo termine, si prevede lo sviluppo di sensori biochimici altamente sensibili e ripetibili.

Sebbene siano stati sviluppati vari tipi di sensori biochimici4,5,6,7, i sensori funzionali dell'acido nucleico1, che utilizzano DNA, RNA o altri acidi nucleici come elemento di rilevamento, sono stati recentemente considerati sensori biochimici di nuova generazione. Tra i sensori funzionali dell'acido nucleico, l'aptamero del DNA, ovvero il DNA a filamento singolo con una sequenza di basi specifica, ha attirato molta attenzione perché un aptamero del DNA si lega specificamente a una sostanza bersaglio con un'elevata selettività di legame. Fino ad oggi, sono state segnalate varie sostanze bersaglio per gli aptameri del DNA, comprese sostanze biologiche come il fattore di crescita derivato dalle piastrine, la trombina, la cocaina e sostanze tossiche per l'ambiente tra cui ioni Ag+, ioni Hg2+, ioni Pb2+ e ioni Sr2+8,9. Inoltre, gli aptameri del DNA sono materiali stabili: l'aptamero del DNA potrebbe essere denaturato termicamente e rinaturato per molti cicli senza perdere la capacità di legame1. Sfruttando queste caratteristiche sono stati sviluppati vari tipi di sensori biochimici aptameri del DNA9,10. La maggior parte di questi sensori biochimici aptameri del DNA utilizzano segnali di fluorescenza11,12, elettrochimici13,14 e di lunghezza d'onda visibile15 come uscite. Tuttavia, quei sensori biochimici dell'aptamero del DNA potevano misurare le loro molecole bersaglio solo una volta perché tali sensori non avevano la funzione di dissociare il legame delle molecole bersaglio all'aptamero del DNA. Per misurazioni ripetibili del sensore biochimico dell'aptamero del DNA, è necessario inizializzare il sensore biochimico dell'aptamero del DNA dissociando e rimuovendo la molecola target nei sensori biochimici dell'aptamero del DNA.