铁氧化物包裹的DNA磷示踪剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种铁氧化物包裹的DNA磷示踪剂及其制备方法与应用。本发明专利技术的铁氧化物包裹的DNA磷示踪剂由SiO2内核和包裹于内核的SiO2外壳以及包裹于最外层的铁氧化物衣壳组成；所述内核为表面吸附核酸的不同粒径大小的SiO2微球，在内核的外侧包裹一层SiO2外壳，在SiO2外壳上包裹一层铁氧化物衣壳。本发明专利技术基于铁氧化物对磷有强吸附的特点，通过合成不同大小的铁氧化物包裹的DNA磷示踪剂，来对不同时间和空间位置进入土壤和排水沟的磷酸根进行标记。空间位置进入土壤和排水沟的磷酸根进行标记。

【技术实现步骤摘要】
铁氧化物包裹的DNA磷示踪剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于环境保护领域，具体地说，涉及一种铁氧化物包裹的DNA磷示踪剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]铅210是一种地质沉降放射性核素(t
1/2
＝22.3年)，是在铀238的衰减系列中产生。铀238依次衰变为几个短寿命核素，直至镭226(t
1/2
＝1600年)，然后衰变成氡222，一种可以逃逸到大气中的短寿命气态核素(t
1/2
＝3.83天)，它通过一系列短寿命核素衰变，直至铅210，铅210强吸附到颗粒物质和气溶胶上(K
d
＝103‑
106L/kg)，通过干湿沉降重回地表。未脱离陆地环境的镭226存在于土壤和岩石中，一部分原位衰变为铅210，与母质处于平衡状态。同时测量铅210和镭226，从总的铅210减去跟镭226平衡的铅210的量，就是通过大气沉降下来铅210。
[0003]铯137是一种人为放射性核素(t
1/2
＝30年)，铯137的产量峰值发生在1963年，对大气的贡献在1976年左右停止。在核弹试验期间，铯137分布在世界各地的平流层。由于铯137被颗粒物质和气溶胶强烈吸附(K
d
约为105L/kg)，干湿沉降将铯137引入地表。铯137产生、沉积和土壤剖面分布独特且特征明确，使其成为用于沉积物测年和示踪技术的理想放射性核素。
[0004]铍7是一种寿命相对较短的宇宙放射性同位素(t
1/2
＝53.3天)，它是由宇宙射线在高层大气中氧和氮的散裂产生的。铍7强烈吸附在颗粒物质上(K
d
＝104
‑
105L/kg)，并且会发生湿沉降和干沉降。由于铍7的半衰期比铯137或铅210短得多，因此它可用于阐明月度甚至单个径流事件时间尺度的模式，而铯137和铅210倾向于提供年度尺度的信息。
[0005]美国威斯康星州一个农业为主的小流域，在2008年6月一场中等强度的降雨事件期间，沉积物主要来自上游土壤或耕地表层，翻起的河床底泥的贡献很小，河岸的贡献几乎没有。在此事件期间，沉积物沉积在河床上，形成了一个临时储存库，可能之后会重新悬浮，颗粒结合的磷占河道中运输的总磷(TP)的33
‑
46％。
[0006]现有的磷面源污染来源的示踪方法只能追溯来源的类别，土壤表层、河床底泥、河岸等，无法追溯源头的具体空间位置。因此，亟需开发一种新型的磷示踪剂。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种铁氧化物包裹的DNA磷示踪剂及其制备方法与应用。
[0008]本专利技术构思如下：研究发现，不同大小的土壤颗粒对磷的面源污染的贡献不同，越小的土壤颗粒，对磷的面源污染的贡献越大。通过将不同粒径大小的铁氧化物包裹的DNA磷示踪剂，在灌区的不同位置投入，用DNA序列编码DNA示踪剂的投入位置和投入时间，同一位置和时间投入的DNA示踪剂为四种不同粒径(60nm、250nm、550nm和1.2μm)的铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒的混合物。利用铁氧化物对磷有强吸附的特点，追溯吸附在不同大小的土壤颗粒上的磷的源头的时间和空间位置。
[0009]为了实现本专利技术目的，第一方面，本专利技术提供一种铁氧化物包裹的DNA磷示踪剂，所述磷示踪剂由四种不同粒径的铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒组成；
[0010]所述微球颗粒由内核、外壳和包裹于外壳的铁氧化物衣壳组成；
[0011]所述内核为表面吸附核酸的四种不同粒径大小的SiO2微球，在内核的外侧包裹一层SiO2外壳，在所述外壳的表面包裹一层铁氧化物衣壳；
[0012]所述SiO2微球的粒径分别为20nm、200nm、500nm和1000nm，相应地，所述铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒的粒径大小分别为60nm、250nm、550nm和1.2μm；
[0013]本专利技术中，所述表面带正电的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒的粒径大小，主要由SiO2微球(内核)的粒径控制，并通过SiO2外壳的厚度进行微调。
[0014]本专利技术中，所述核酸可以是长度60
‑
120bp，且不含茎环、发夹结构的单链或双链DNA。
[0015]第二方面，本专利技术提供一种铁氧化物包裹的DNA磷示踪剂的制备方法，包括以下步骤：
[0016](1)准备不同粒径大小的SiO2微球；
[0017](2)将SiO2微球与功能化试剂TMAPS接触，使SiO2微球的表面带正电，然后静电吸附核酸，作为内核；
[0018](3)将所述内核与TEOS接触，催化SiO2生长，在所述内核的外侧形成一层SiO2外壳，得到不同粒径大小的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒；
[0019](4)赤铁矿纳米颗粒的制备：将氯化铁溶液加到沸腾的超纯水中，得到粒径约10nm的赤铁矿纳米颗粒；
[0020](5)将步骤(3)所得SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒与步骤(4)所得赤铁矿纳米颗粒混合，使SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒最外层包裹铁氧化物衣壳，即得；
[0021]进一步地，所述制备方法包括以下步骤包括：
[0022]A、制备粒径60nm的铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒
[0023]A1、SiO2内核溶液的制备：将粒径20nm的SiO2微球悬浮于异丙醇中，制成浓度为50mg/mL的SiO2内核溶液；
[0024]A2、表面带正电的TMAPS功能化的SiO2微球的制备：将制好的SiO2内核溶液混匀，取1mL加入2mL微量离心管中，超声处理10分钟，得到均一的SiO2微球胶体溶液；向其中加入10μL TMAPS溶液，然后在恒温箱中以900rpm的速度在室温下搅拌12小时，用异丙醇洗涤后，得到表面带正电的SiO2微球；
[0025]A3、粒径约40nm的SiO2(DNA(SiO2))微球溶液的制备：先用超纯水制备浓度为50μg/mL的核酸溶液；然后向离心管中加入700μL超纯水、320μL核酸溶液和35μL表面带正电的SiO2微球，混合后超声处理，得到均一的溶液；用超纯水离心洗涤后超声处理，得到均一的胶体溶液；然后，向其中加入0.5μL TMAPS溶液，混匀，再加入0.5μL TEOS，以900rpm的速度在室温下搅拌4小时；然后向体系中再加入32.4μLTEOS，在室温下以900rpm的速度搅拌4天；用超纯水洗涤并用超声处理混匀后，得到粒径约40nm的SiO2(DNA(SiO2))微球胶体溶液；
[0026]A4、尺寸均一的粒径约40nm的SiO2(DNA(SiO2))微球的制备：将SiO2(DNA(SiO2))微球胶体溶液真空冷冻干燥后得到SiO2(DNA(SiO2))微球，在微型研磨机中，以1mg SiO2微球添加1g锆珠颗粒的比例，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.铁氧化物包裹的DNA磷示踪剂，其特征在于，所述磷示踪剂由四种不同粒径的铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒组成；所述微球颗粒由内核、外壳和包裹于外壳的铁氧化物衣壳组成；所述内核为表面吸附核酸的四种不同粒径大小的SiO2微球，在内核的外侧包裹一层SiO2外壳，在所述外壳的表面包裹一层铁氧化物衣壳；所述SiO2微球的粒径分别为20nm、200nm、500nm和1000nm，相应地，所述铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒的粒径大小分别为60nm、250nm、550nm和1.2μm；所述核酸为长度60
‑
120bp，且不含茎环、发夹结构的单链或双链DNA。2.铁氧化物包裹的DNA磷示踪剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)准备不同粒径大小的SiO2微球；(2)将SiO2微球与功能化试剂TMAPS接触，使SiO2微球的表面带正电，然后静电吸附核酸，作为内核；(3)将所述内核与TEOS接触，催化SiO2生长，在所述内核的外侧形成一层SiO2外壳，得到不同粒径大小的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒；(4)赤铁矿纳米颗粒的制备：将氯化铁溶液加到沸腾的超纯水中，得到粒径为10nm的赤铁矿纳米颗粒；(5)将步骤(3)所得SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒与步骤(4)所得赤铁矿纳米颗粒混合，使SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒最外层包裹铁氧化物衣壳，即得；所述核酸为长度60
‑
120bp，且不含茎环、发夹结构的单链或双链DNA。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，A、制备粒径60nm的铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒A1、SiO2内核溶液的制备：将粒径20nm的SiO2微球悬浮于异丙醇中，制成浓度为50mg/mL的SiO2内核溶液；A2、表面带正电的TMAPS功能化的SiO2微球的制备：将制好的SiO2内核溶液混匀，取1mL加入2mL微量离心管中，超声处理10分钟，得到均一的SiO2微球胶体溶液；向其中加入10μL TMAPS溶液，然后在恒温箱中以900rpm的速度在室温下搅拌12小时，用异丙醇洗涤后，得到表面带正电的SiO2微球；A3、粒径40nm的SiO2(DNA(SiO2))微球溶液的制备：先用超纯水制备浓度为50μg/mL的核酸溶液；然后向离心管中加入700μL超纯水、320μL核酸溶液和35μL表面带正电的SiO2微球，混合后超声处理，得到均一的溶液；用超纯水离心洗涤后超声处理，得到均一的胶体溶液；然后，向其中加入0.5μL TMAPS溶液，混匀，再加入0.5μL TEOS，以900rpm的速度在室温下搅拌4小时；然后向体系中再加入32.4μLTEOS，在室温下以900rpm的速度搅拌4天；用超纯水洗涤并用超声处理混匀后，得到粒径40nm的SiO2(DNA(SiO2))微球胶体溶液；A4、尺寸均一的粒径40nm的SiO2(DNA(SiO2))微球的制备：将SiO2(DNA(SiO2))微球胶体溶液真空冷冻干燥后得到SiO2(DNA(SiO2))微球，在微型研磨机中，以1mg SiO2微球添加1g锆珠颗粒的比例，用直径0.1mm锆珠颗粒研磨2～8分钟，然后21000g离心洗涤3次，去除上清液并加入超纯水，得到尺寸均一的粒径40nm的SiO2(DNA(SiO2))微球；A5、粒径10nm的赤铁矿纳米颗粒的制备：通过滴管以每秒两滴的速度将100mL的1mol/L的氯化铁溶液加入到900mL沸腾的超纯水中，得到赤铁矿纳米颗粒溶液；将赤铁矿纳米颗粒
溶液冷却至室温，得到粒径10nm的赤铁矿纳米颗粒；A6、粒径60nm的铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒的制备：将步骤A5得到的赤铁矿纳米颗粒1.8
‑
18g与步骤A4得到的SiO2(DNA(SiO2))微球50mg混合，在室温下搅拌2小时，所得产物经洗涤以去除盐分，并在氮气下离心和干燥，得到粒径60nm的铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒；B、制备粒径250nm的铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒B1、SiO2内核溶液的制备：将粒径200nm的SiO2微球悬浮于异丙醇中，制成浓度为50mg/mL的SiO2内核溶液；B2、表面带正电的TMAPS功能化的SiO2微球的制备：将制好的SiO2内核溶液混匀，取1mL加入2mL微量离心管中，超声处理10分钟，得到均一的SiO2微球胶体溶液；向其中加入10μL TMAPS溶液，然后在恒温箱中以900rpm的速度在室温下搅拌12小时，用异丙醇洗涤后，得到表面带正电的SiO2微球；B3、粒径230nm的SiO2(DNA(SiO2))微球溶液的制备：先用超纯水制备浓度为50μg/mL的核酸溶液；然后向离心管中加入700μL超纯水、320μL核酸溶液和35μL表面带正电的SiO2微球，混合后超声处理，得到均一的溶液；用超纯水离心洗涤后超声处理，得到均一的胶体溶液；然后，向其中加入0.5μL TMAPS溶液，混匀，再加入0.5μL TEOS，以900rpm的速度在室温下搅拌4小时；然后向体系中再加入2.4μLTEOS，在室温下以900rpm的速度搅拌4天；用超纯水洗涤并用超声处理混匀后，得到粒径230nm的SiO2(DNA(SiO2))微球胶体溶液；B4、尺寸均一的粒径230nm的SiO2(DNA(SiO2))微球的制备：将SiO2(DNA(SiO2))微球胶体溶液真空冷冻干燥后得到SiO2(DNA(SiO2))微球，在微型研磨机中，以1mg SiO2微球添加1g锆珠颗粒的比例，用直径0.1mm锆珠颗粒研磨2～8分钟，然后21000g离心洗涤3次，去除上清液并加入超纯水，得到尺寸均一的粒径230nm的SiO2(DNA(SiO2))微球；B5、粒径10nm的赤铁矿纳米颗粒的制备：通过滴管以每秒两滴的速度将100mL的1mol/L的氯化铁溶液加入到900mL沸腾的超纯水中，得到赤铁矿纳米颗粒溶液；将赤铁矿纳米颗粒溶液冷却至室温，得到粒径10nm的赤铁矿纳米颗粒；B6、粒径250nm的铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒的制备：将步骤B5得到的赤铁矿纳米颗粒35
‑
350mg与步骤B4得到的SiO2(DNA(SiO2))微球50mg混合，在室温下搅拌2小时，所得产物经洗涤以去除盐分，并在氮气下离心和干燥，得到粒径250nm的铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒；C、制备粒径550nm的铁氧化物包裹的SiO2(DNA(SiO2))微球颗粒C1、SiO2内核溶液的制备：将粒径500nm的SiO2微球悬浮于异丙醇中，制成浓度为50mg/mL的SiO2内核溶液；C2、表面带正电的TMAPS功能化的SiO2微球的制备：将制好的SiO2内核溶液混匀，取1mL加入2mL微量离心管中，超声处理10分钟，得到均一的SiO2微球胶体溶液；向其中加入10μL TMAPS溶液，然后在恒温箱中以900rpm的速度在室温下搅拌12小时，用异丙醇洗涤后，得到表面带正电的SiO2微球；C3、粒径530nm的SiO2(DNA(SiO2))微球溶液的制备：先用超纯水制备浓度为50μg/mL的核酸溶液；然后向离心...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪超子，刘耿，胡曾杰，陈明洪，霍再林，刘家荣，黄冠华，阮楚晋，王钢，王惟舒，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：