研究中用新合成一寡核苷酸dsDNA作为荧光探针,以SYBR Green I（SG）等染料为荧光信使,将SG加入寡核苷酸中,形成SG-dsDNA,体系产生荧光；用稀HNO ₃采集氡辐射衰变产生的铅（Pb）,溶解后转变为Pb ²⁺,将其加入荧光探针dsDNA和荧光信使SG体系中,因Pb ²⁺与dsDNA反应,dsDNA的空间结构由链式结构转向G-四分体结构,形成Pb ²⁺-G-四分体寡核苷酸,体系中dsDNA+SG含量减少,发生荧光猝灭,荧光强度下降（Δ F）；下降程度与 ²²²Rn衰变产生的 ²¹⁰Pb子体含量之间具有良好的化学定量关系,由Δ F值可准确定量放射性物质氡的浓度。在此基础上,主要研究新合成寡核苷酸dsDNA与Pb ²⁺的作用机制,表征dsDNAG-四分体的形成,为非标记荧光传感器检测放射物质氡提供理论依据,为氡的环境检测、氡辐射损伤DNA的机制研究提供新技术、新方法和实验依据。

本方法预期具有以下特点：①高选择性。采样时,氡采样器只允许具有辐射特性的氡气进入,衰变形成Pb,经吸收液稀HNO ₃溶解转变成Pb ²⁺,无其他金属离子共存,特别是dsDNA几乎专一地选择与Pb ²⁺作用形成G-四分体,能够排除普通荧光猝灭分析中共存物质的干扰,对氡测定具有高选择性。②灵敏度高。基于dsDNA形成G-四分体,并结合使用嵌入剂SG的生物技术,对Pb ²⁺的检测灵敏度可达3.79ppb,由 ²²²Rn→ ²¹⁰Pb预测,方法对应于氡同样非常灵敏。③该方法不需要标记荧光基团,也不要标记荧光猝灭基团,不存在功能核酸分子内、分子间的荧光猝灭,排除了共存金属离子对功能核酸荧光探针的影响。④稳定、实用,价格低廉。一些标记荧光基团的Pb ²⁺传感器,使用温度低（如5℃）,稳定性欠佳,难于实用,本研究中合成的寡核苷酸dsDNA不要荧光标记,价格低廉,由于本身非常稳定,使用温度范围宽泛,可在日常温度和普通实验条件下进行氡的测定。有利于批量样品的连续检测。⑤采样、检测时无辐射影响。

该方法的建立将有助于突破“（铀→）氡→α、β、γ射线”核物理研究模式,开启“（铀→）氡→铅→基因检测”的新思路,开发一种“DNA辐射损伤机制研究”的生物物理新方法。

本课题主要开展了以下研究工作：

1.氡衰变子体 ²¹⁰Pb的采样原理和采样方法研究。

氡（ ²²²Rn）是唯一的一种气体放射性元素,半衰期短（3.8天）,衰变过程中释放出α、β等粒子,最终衰变成为稳定的铅（ ²¹⁰Pb）：

国家对氡的标准测定方法和已经报道的测氡方法,都是通过采集α、β等粒子实现对氡浓度的检测；本课题设计应用功能核酸非标记荧光传感器对Pb ²⁺的测定,达到测定氡浓度的目的,需要采集 ²¹⁰Pb。由于采集对象不同,因而其采样原理完全不同；但因氡的“气体放射性”特性,两种方法的采样装置有相似之处。

GB/T 14582“径迹蚀刻法”的采样原理与装置：

GB/T 14582规定了对环境空气中氡的4种标准测定方法,采样时,都是用滤膜密封采样器的进气口和出气口,阻止空气中的颗粒物等进入采样器,氡进入采样器,在采样器中辐射α等粒子,由探测器采集。例如“径迹蚀刻法”的采样方法（图1-1）是,将氡辐射探测器放入采样盒中,用滤膜密封采样盒口,放置采样点采样。氡随空气扩散透过滤膜,进入采样盒,发射的α粒子轰击探测器（聚碳酸脂片或CR-39）,产生亚微观型损伤径迹,完成对氡的采集。

氡最终衰变产物 ²¹⁰Pb的采样装置与原理。

本课题将进行氡的被动式和主动式两种采样方法研究。

被动式采样方法研究：

以聚乙烯广口瓶为容器,以稀HNO ₃为吸收液,用加有吸收液的容器取代图1-1中的“4.探测器”,放入采样盒中,用滤膜密封采样盒口,同“径迹蚀刻法”一样进行被动式采样。空气中的氡及其子体经扩散透过滤膜,进入采样盒,在容器中,衰变产生的Pb被HNO ₃吸收、溶解,转变成为Pb ²⁺离子：

用滤膜密封瓶口,阻隔了现场空气中其他物质进入采样盒,防止空气中PM2.5、铅尘和铅烟等含铅物质进入HNO ₃,确保准确采集氡的衰变产物Pb。

主动式采样方法研究：

以抽气泵为采样动力,以稀HNO ₃为吸收溶液,以聚乙烯广口瓶为吸收器,用滤膜密封瓶口,在一定流速下抽气采样。

氡是一种气载放射性物质,采样效率是影响氡检测的一项重要指标。采样研究中,重点研究采样条件对采样效率的影响。为了提高采集氡辐射衰变产物Pb的采样效率,将系统研究采样器的种类、吸收液的种类和酸度、采样时间、采样温度、气流、采样速度等因素的影响,最后确定优化的采样条件。要通过调控氡室氡的浓度,考察不同浓度水平时的采样效率,研究采样方法的适用浓度范围；通过与氡的国家标准测定方法进行对比研究,考察新的采样方法的采样效率和准确性。

2.氡基于Pb ²⁺-G-四分体寡核苷酸结构非标记荧光传感检测原理和方法

寡核苷酸（dsDNA）与荧光信使（SG）作用原理：

SYBR Green I（SG）是一种染料,游离状态时,SG几乎不发荧光；但它可与所有的dsDNA反应,结合于dsDNA双螺旋小沟区域中,与dsDNA结合时,荧光信号开关打开,荧光强度（ F）增加800～1000倍。但SG与G-四链体结构DNA结合时,荧光信号开关难以打开,荧光强度微弱。因此,SG是一种荧光信使,与SG反应的dsDNA是一种非常灵敏、稳定的无标记dsDNA荧光探针。

本课题设计合成一种富G的寡核苷酸（dsDNA）,以它作为荧光探针,以SYBR Green I（SG）为荧光信使。将SG加入寡核苷酸中,形成SG-dsDNA,体系荧光强度大大增强：

dsDNA的含量越大,SG-dsDNA的浓度也就越大,体系的荧光强度越强, F ₀值越大。

合成的荧光探针dsDNA没有标记荧光基团,也没有标记荧光猝灭基团,不存在标记基团降解问题,本底荧光值非常低,易于储存,温度使用范围宽,对靶分子（Pb ²⁺）具有高亲和力,能与靶分子（Pb ²⁺）特异性结合,因此,该寡核苷酸是测定目标物质（Pb ²⁺）的理想的探针。

测定体系荧光对Pb ²⁺-G-四分体形成的传感原理研究：

测定氡时,用稀HNO ₃采集氡辐射衰变产生的铅（Pb）,溶解后转变为Pb ²⁺,将其加入（dsDNA+SG）体系后,Pb ²⁺与dsDNA作用,dsDNA形成G-四分体结构,体系发生与上不同的变化,荧光强度下降：

以上反应表明,由于Pb ²⁺的最外电子层呈6s ²6p ⁰结构,3个p轨道全部为空轨道,加之Pb ²⁺带2个单位的正电荷,电荷密度相对较大,这两方面的因素都有利于Pb ²⁺接纳dsDNA链上碱基对中N、O原子上的孤对电子。dsDNA链上的碱基含量丰富,带有孤对电子的N、O原子较多,具有丰富的呈负电性的孤对电子,因此,当dsDNA形成G-四链体结构后,该结构中心呈现较强的负电性气氛,与Pb ²⁺之间产生较强的正负电荷吸引力,两者之间的范德华力较强。这些因素都促使dsDNA双链向着有利于Pb ²⁺与dsDNA碱基形成氢键的方向旋转,形成稳定的G-四分体结构,与Pb ²⁺组成配合体（Pb ²⁺-G-四链体）。最终体系中dsDNA含量减少,导致SG-dsDNA荧光体的含量相继越少。因此,体系的荧光强度随之下降（ F ₁<< F ₀）。测定体系因Pb ²⁺-G-四链体的形成,发挥了荧光传感作用。

体系荧光猝灭因素研究：

导致体系荧光猝灭的原因可以是多方面的,为了排除其他猝灭因素的影响,确保由“Pb ²⁺诱导dsDNA双链转变形成G-四分体,引起荧光猝灭”,保证定量关系的准确性,实验中进行两方面的研究：

·反应动力学研究：选用Pb ²⁺和几种不同的离子分别与寡核苷酸、SG反应,应用反应荧光强度变化情况,考察离子与寡核苷酸、SG反应动力学情况。选用一些重金属离子、随机DNA序列（random DNA）与Pb ²⁺、可形成G-四分体结构的dsDNA进行荧光猝灭灵敏度对照实验；

·dsDNA结构特性的圆二色谱研究：证明G-四分体的形成与荧光猝灭的关系。

综上所述,在SG、dsDNA浓度等条件一定时,测定体系的荧光强度（ F）与Pb ²⁺的浓度 c'（mol/L）之间存在以下定量关系：

因为空气中氡的浓度 c（Bq/m ³）与氡衰变产生的铅离子浓度 c′（mol/L）之间的关系为正比关系：

所以,体系的荧光强度与氡的浓度之间的定量关系为

用标准曲线法,通过测定现场样品溶液荧光强度值,可以测定现场氡的浓度。

在这一阶段中重点研究的内容是对以上“氡浓度与测定体系荧光强度间定量关系数学模型”的实验研究”,研究方法是：

首先,用Pb ²⁺标准溶液（mol/L）研究建立测定溶液荧光强度（ F）与Pb ²⁺的浓度 c′（mol/L）之间存在以下定量关系： F=K′ c′,为下面氡浓度的测定中提供Pb ²⁺浓度定量依据。

其次,在氡室由小到大梯度调节氡浓度为 c ₀～ c _nBq/m ³,对应采集氡衰变产物Pb ²⁺样品（ c′mol/L）,再用以上已经建立的定量检测方法检测各样品溶液的荧光强度（ F）值：

然后,依据体系的荧光强度与氡的浓度之间的定量关系 F=K c,用上表第一、三行实验测得的数据进行回归统计处理,确定本研究方法对氡的线性测定浓度范围,建立 F- c′线性方程。

本研究设计两个主要目标：研制对氡辐射子体Pb具有特异性的采样方法；构建基于Pb ²⁺-G-四分体结构、无标记的DNA荧光传感分析新方法,用于气载放射性氡的检测,拓展Pb ²⁺-G-四分体结构无标记DNA荧光传感器在放射性物质研究领域的应用。