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乳制品营养丰富，被誉为“最接近完美的食品”。然而，近年来由微量金属元素超标添加及重金属污染引起的乳制品安全问题不容忽视。常用的金属离子检测方法有原子吸收光谱法、电感耦合等离子质谱法、荧光法和电化学传感技术等，其中电化学传感技术因灵敏度高、响应速度快而备受关注。目前，电化学传感技术的研究仍存在以下不足：信号探针中电信号源含量低、生物酶成本高且易失活，据此构建的电化学传感方法灵敏度低、稳定性不高。本研究利用金属-有机框架材料(MOFs)分别作为信号源和仿生酶，研制了三种电化学DNA传感器，并实现了乳制品中汞离子(Hg2+)、铜离子(Cu2+)、锌离子(Zn2+)的检测。具体研究内容如下：
第一部分：Cu-MOFs信号源电化学DNA传感器用于乳制品中Hg2+的检测。首先，合成了最优电化学效能的Cu-MOFs，并将其作为DNA1序列的固定载体，制备了Cu-MOFs/DNA1信号探针。其次，将DNA2序列固定于纳米金球修饰的玻碳电极(GCE/AuNPs)表面，从而构建电化学DNA传感器。需指出的是，所用DNA1和DNA2序列均富含胸腺嘧啶(T)碱基；当Hg2+存在时，该DNA序列能够特异识别Hg2+，使得电极表面形成T-Hg2+-T复合物，从而将Cu-MOFs/DNA1信号探针固定于电极表面。随着待测溶液中Hg2+浓度的增大，固定在电极表面的Cu-MOFs越多，通过电化学检测Cu-MOFs产生的电信号实现了Hg2+的检测。由于Cu-MOFs中含有大量的电活性物质且无需富集溶出等操作，本方法在很大程度上提高了检测灵敏度，线性范围为10fM~100nM，检出限为4.8fMHg2+；鲜奶样品的加标回收率在87.2~106.4%范围之内。
第二部分：Ce-MOFs仿生酶增敏的电化学DNA传感器用于乳制品中Cu2+的检测。首先，将DNA1修饰在玻碳电极表面，构建DNA传感器(GCE/DNA1)；其次，通过水热合成法制备Ce-MOFs仿生酶，并将其作为DNA2固定载体研制了信号探针(Ce-MOFs/AuNPs/DNA2)；与传统的生物酶相比，该仿生酶制备简单、稳定性好。当Cu2+不存在时，信号探针中的DNA2与电极表面的DNA1杂交形成DNA双螺旋结构，从而将Ce-MOFs固定于电极表面；基于Ce-MOFs仿生酶对抗坏血酸的催化作用，从而产生较强的响应电流。当Cu2+存在时，由于Cu2+与DNA1的特异识别作用，导致DNA1发生不可逆的断裂，使得DNA双螺旋结构解离，从而Ce-MOFs从电极表面脱落，因此催化电流信号明显降低。基于电化学信号的变化量，实现乳制品中Cu2+的灵敏、准确检测，线性范围为0.10pM~100nM，检出限为0.034pM。
第三部分：ZIF-67仿生酶构建电化学DNA传感器用于乳制品中Zn2+的检测。首先，将发夹状DNA1固定于玻碳电极表面，构建DNA传感器；其次，合成了ZIF-67仿生酶和海胆状纳米金，并将其作为DNA2固定载体制备信号探针。当有Zn2+存在时，电极表面的DNA1在rA发生断裂；DNA1残链能够与信号探针中的DNA2发生碱基互补配对，从而将ZIF-67固定于电极表面。随着待测溶液中Zn2+浓度的增大，固定于电极表面的ZIF-67越多。基于ZIF-67仿生酶对葡萄糖的催化氧化作用，实现不同浓度Zn2+的电化学检测。研究表明，该DNA传感器产生的催化电流与Zn2+浓度的对数值在10-12~10-6M范围内呈现良好的线性关系，检出限为0.17fM，为乳制品中Zn2+的检测提供了新的方法。
综上所述，本研究以MOFs为基础构建三种电化学DNA传感器实现了乳制品中Hg2+，Cu2+，Zn2+的检测，为后续食品中金属离子的灵敏、准确、快速检测提供了技术支持。
第一部分：Cu-MOFs信号源电化学DNA传感器用于乳制品中Hg2+的检测。首先，合成了最优电化学效能的Cu-MOFs，并将其作为DNA1序列的固定载体，制备了Cu-MOFs/DNA1信号探针。其次，将DNA2序列固定于纳米金球修饰的玻碳电极(GCE/AuNPs)表面，从而构建电化学DNA传感器。需指出的是，所用DNA1和DNA2序列均富含胸腺嘧啶(T)碱基；当Hg2+存在时，该DNA序列能够特异识别Hg2+，使得电极表面形成T-Hg2+-T复合物，从而将Cu-MOFs/DNA1信号探针固定于电极表面。随着待测溶液中Hg2+浓度的增大，固定在电极表面的Cu-MOFs越多，通过电化学检测Cu-MOFs产生的电信号实现了Hg2+的检测。由于Cu-MOFs中含有大量的电活性物质且无需富集溶出等操作，本方法在很大程度上提高了检测灵敏度，线性范围为10fM~100nM，检出限为4.8fMHg2+；鲜奶样品的加标回收率在87.2~106.4%范围之内。
第二部分：Ce-MOFs仿生酶增敏的电化学DNA传感器用于乳制品中Cu2+的检测。首先，将DNA1修饰在玻碳电极表面，构建DNA传感器(GCE/DNA1)；其次，通过水热合成法制备Ce-MOFs仿生酶，并将其作为DNA2固定载体研制了信号探针(Ce-MOFs/AuNPs/DNA2)；与传统的生物酶相比，该仿生酶制备简单、稳定性好。当Cu2+不存在时，信号探针中的DNA2与电极表面的DNA1杂交形成DNA双螺旋结构，从而将Ce-MOFs固定于电极表面；基于Ce-MOFs仿生酶对抗坏血酸的催化作用，从而产生较强的响应电流。当Cu2+存在时，由于Cu2+与DNA1的特异识别作用，导致DNA1发生不可逆的断裂，使得DNA双螺旋结构解离，从而Ce-MOFs从电极表面脱落，因此催化电流信号明显降低。基于电化学信号的变化量，实现乳制品中Cu2+的灵敏、准确检测，线性范围为0.10pM~100nM，检出限为0.034pM。
第三部分：ZIF-67仿生酶构建电化学DNA传感器用于乳制品中Zn2+的检测。首先，将发夹状DNA1固定于玻碳电极表面，构建DNA传感器；其次，合成了ZIF-67仿生酶和海胆状纳米金，并将其作为DNA2固定载体制备信号探针。当有Zn2+存在时，电极表面的DNA1在rA发生断裂；DNA1残链能够与信号探针中的DNA2发生碱基互补配对，从而将ZIF-67固定于电极表面。随着待测溶液中Zn2+浓度的增大，固定于电极表面的ZIF-67越多。基于ZIF-67仿生酶对葡萄糖的催化氧化作用，实现不同浓度Zn2+的电化学检测。研究表明，该DNA传感器产生的催化电流与Zn2+浓度的对数值在10-12~10-6M范围内呈现良好的线性关系，检出限为0.17fM，为乳制品中Zn2+的检测提供了新的方法。
综上所述，本研究以MOFs为基础构建三种电化学DNA传感器实现了乳制品中Hg2+，Cu2+，Zn2+的检测，为后续食品中金属离子的灵敏、准确、快速检测提供了技术支持。