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来源：高分子科学前沿收集编辑：高分子科学前沿
应用核能不可避免地会产生核事故的潜在风险，这构成了一个巨大的威胁。锶-90（90Sr）是铀-235裂变的产物之一，是一种放射性核素，其化学性质与钙相似，需要数百年才能衰变到可以忽略不计的水平。该元素可能在食物链和骨骼中积累，并导致严重的健康危害，如骨癌和白血病。此外，有证据表明，吸入过量的Sr会导致心脏和神经系统疾病，包括呼吸困难、过敏反应和极度心动过速。目前，放射性90Sr已在土壤、水、食物，甚至生物体内被检测到。考虑到放射性Sr对人体健康的危害以及其在自然环境中的广泛分布，Sr的检测以及未来可能的根除具有重要意义。然而，由于没有特征能量射线表明其存在，检测90Sr仍然是一个挑战。基于以上挑战，海南大学、南海海洋资源利用国家重点实验室常务副主任王宁教授和袁益辉研究员联合展示了一种能够以超灵敏和高选择性的方式检测Sr2+的生物传感器。作者的方法利用了荧光染料硫黄素T，它可以触发DNA折叠，形成鸟嘌呤-四链体结构。由于该DNA结构的高结合力，当暴露于痕量的Sr2+离子时，硫黄素T容易被取代，导致荧光强度衰减，检测限为2.11 nM。作者的工作可以通过提供技术解决方案来监测放射性Sr污染在环境中的运输，从而为核电的可持续性做出贡献，这是一个显着的进步，特别是在最近的福岛核事件之后。相关成果以“Ultrasensitive and highly selective detection of strontium ions”为题发表在《Nature Sustainability》上。浓度为 50nM 的 TiG4-DNA 用于定量检测浓度范围为 10nM 至 5μM 的 Sr2+ 离子。随着 Sr2+ 离子浓度的增加，荧光强度逐渐降低（图 1a）。荧光强度的降低趋于与高于 2μM 的 Sr2+ 离子浓度达到平衡，并且随着 Sr2+ 离子浓度的进一步增加，荧光强度没有显着降低，这是由于 ThT和 Sr2+ 离子之间的竞争 G-四联体的结果（图 1b）。在0-100nM范围内，Sr2+离子浓度与荧光强度衰减呈良好的线性关系（图1c），这表明 TiG4-DNA 是目前可用的化学 Sr2+ 检测方法中性能最好的化学技术之一。根据该检测方法的操作步骤和使用的化学品和设备，测试样品所需的总时间和成本分别为 15分钟和 0.1646 美元，这是有利于实际应用。因为自然环境中存在许多共存的干扰离子，所以检测选择性对于 Sr2+ 离子检测方法的实际应用至关重要。总共选择了 17 种广泛存在于自然环境中的离子用于检测选择性测定。分析表明，当这 17 种测试离子以与 Sr2+ 相同的浓度存在时，与 Sr2+ 离子引起的荧光衰减相比，荧光衰减可忽略不计（图 1d）。即使干扰金属离子的浓度是 Sr2+ 离子浓度的 100 倍，荧光衰减的增加也可以忽略不计（图 1e）。更重要的是，所有四种干扰离子以 100 倍 Sr2+ 离子浓度共存导致荧光衰减仅增加 5.01%（图 1f）。这些结果证明了 TiG4-DNA 对 Sr2+ 离子具有出色的选择性，并证实了该检测方法在复杂自然环境中的适用性。通过测试饮用水、天然海水和模拟核废水中的Sr2+离子浓度，分析了TiG4-DNA检测Sr2+离子的适用性。所有样品中检测到的 Sr2+ 离子浓度与电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS) 测定的浓度接近，表明该检测方法具有高可靠性和广泛适用性（图 2a）。与目前可用的Sr2+离子检测化学方法相比，该方法具有超低检测限（2.11 nM）（图2b），低于天然海水中Sr2+离子浓度（90.1μM）。因此，该检测方法能够监测核废水泄漏引起的环境Sr2+离子浓度的变化。图 2：TiG4-DNA 用于 Sr2+ 离子检测的适用性为了更好地理解 TiG4-DNA 对 Sr2+ 离子的高选择性，本文详细探讨了荧光分子和金属离子与 G-四链体的相互作用机制。与 TiG4-DNA 不同，由于 TiG4-DNA 中的 O 原子与Sr 原子（图 3a）。扩展 X 射线吸附精细结构 (EXAFS) 分析表明，六个 O 原子围绕着 Sr 原子形成 Sr-O 键。该结果说明 Sr 与 G-四联体中心的四个 O 原子配位形成 Sr-O4 构型，而另外两个具有较长键长的 O 原子可能来自溶剂分子。进行密度泛函理论 (DFT) 计算以分析 G-四链体与 Sr2+ 离子的结合机制。计算出的 Sr 原子电子密度等值面说明 Sr 与来自 G 四重体平面中 G 单元的羰基 O 原子配位（图 3d，e）。因此，ThT 通过 ThT 中带正电荷的 N-甲基与 G-四联体中心的负静电势之间的静电相互作用以及 ThT 的刚性芳环之间的 π-π 堆叠存在于 G-四链体的夹层内和 G 四重奏（图 3f）。此外，G-四重峰对 Na+、K+、Ca2+、Ba2+ 和 ThT 的吸附能分别为-1.60、-1.65、-1.58、-1.88 和 0.12 eV，均弱于 Sr2+（-2.31 eV） ), 这意味着 G-四重奏平面结构更适合 Sr2+ 离子35,37,46。因此，Sr2+离子可以有效稳定结构，G-四链体结构对Sr2+离子具有高度特异性。图3：TiG4-DNA与Sr2+离子、ThT等典型金属离子的结合机理因为 Sr2+ 离子对 G-四链体结构的结合亲和力高于 ThT，ThT 和 G-四链体之间的相互作用很容易被 Sr2+ 离子破坏，（图 4a）。与其他潜在的干扰离子相比，Sr2+ 离子对 G-四重体结构也具有更高的结合亲和力（图 4b）。DFT 计算表明，具有较小半径的金属离子的结合导致 G-四联体平面的减少，从而降低 G-四联体结构的稳定性。具有较大半径的金属离子不能接近 G-四重平面的中心，导致低结合亲和力。由于 TiG4-DNA 的高初始荧光强度和 Sr2+ 离子对 G-四链体的高结合亲和力，该检测方法实现了超灵敏检测性能，检测限低至 2.11nM，具有高选择性，在同类研究中处于领先地位。此外，该方法的检测可靠性可与ICP-MS相媲美，是金属元素检测最可靠的技术。.总体而言，作者提出的检测方法的超高灵敏度、高选择性、广泛适用性和高可靠性为保护人类免受放射性污染危害提供了一种潜在技术，并有利于核能工业的可持续发展。图4：TiG4-DNA的Sr2+离子检测机理示意图--纤维素推荐--
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