Intergration of Gold Nanoparticle Colorimetric Assay and Microfluidic Paper Based Analytical Devices for Mercury Detection

本研究提出一結合金奈米粒子比色分析與微流體試紙元件之無機汞檢測平臺。研究利用表面沒有任何修飾的金奈米粒子，以及3-mercaptopropionic acid (MPA)對汞離子的專一吸附性或藉由單股寡核酸序列的結構改變，做為檢測無機汞的感應探針，免除複雜以及耗時的硫醇化或其他表面改質製作金奈米粒子生化感測探針的過程，此外並結合微流體試紙分析平臺，提供濃縮偵測樣品提高靈敏度，並同時記錄多個不同待測檢體檢測結果，接著利用手機傳輸至雲端計算得到檢測結果資料。利用此方法除了可免除需要昂貴的設備來進行高靈敏度數據分析，同時也具備平行多工病理判讀的功用。目前結果顯示本提出之汞分析平臺可以在一小時之內進行完無機汞的分析，並達到利用MPA –Au NPs偵測極限為750 nM， ss DNA-Au NPs 100 nM為偵測極限，吾人相信此平臺具備應用在資源匱乏地區進行即時汞汙染監控的可能性。Colorimetric sensing strategy employing gold nanoparticles and a paper assay platform has been developed for inorganic mercury detection in environment. Unmodified gold nanoparticles, 3-mercaptopropionic acid (MPA) and detection single-stranded deoxyribonucleic acid (ssDNA) are used to achieve rapid mercury ion sensing without complicated and time-consuming thiolated or other surface-modified probe preparation processes. To eliminate the use of sophisticated equipment for data analysis, the color variance for multiple detection results was simultaneously collected and concentrated on cellulose paper with the data readout transmitted for cloud computing via a smartphone. The results show that the turnaround time is only1 hour, and the detection limit adopting MPA-Au NPs and ssDNA-Au NPs mixtures are 750 nM and 100 nM, respectively. We believe the proposed platform possesses the potential for on-site mercury pollution monitoring in resource constrained settings.誌謝 I 摘要 II Abstract III 目錄 IV 圖目錄 VI 表目錄 VIII 第一章 前言 1 1.1 研究動機 1 1.1.1環境中汞的來源 1 1.1.2 汞循環途徑 2 1.1.3 汞對人體的影響 3 1.2 偵測方法回顧 7 1.2.1 汞偵測方法發展 7 1.2.2 奈米材料於生化檢測應用 7 1.2.3 金奈米粒子合成 7 1.2.4 層析紙(Chromatography paper)的發展與應用 12 1.2.5 紙的檢測 12 1.2.6 層析紙的應用 12 1.3 原理與方法 15 1.3.1金奈米粒子光物理與化學性質 15 1.3.2金奈米粒子偵測汞離子 17 1.4 研究目標 19 第二章 材料與實驗方法 20 2.1實驗藥劑與樣品 20 2.2 儀器設備 20 2.3 溶液配置 20 2.3.1緩衝溶液 20 2.3.2 汞離子溶液 21 2.3.3 金屬離子溶液 21 2.3.4 硫醇溶液 21 2.3.5 2,6-吡啶二甲酸試劑(2,6-pyridinedicarboxylic acid, PDCA)溶液 21 2.3.6 Single-stranded DNA(ssDNA)溶液配置 21 2.3.7 氯化鈉溶液 21 2.4 金奈米粒子製備 22 2.5 MPA-AU NPS製備 22 2.6 SSDNA-AUNPS製備 22 2.7 使用MPA-AU NPS 偵測汞 22 2.8 使用SSDNA-AUNPS偵測汞 23 2.9 真實樣品檢測 23 第三章 結果與討論 25 3.1 測量MPA-AU NPS在鹽溶液中的聚集反應 25 3.2 MPA-AU NPS偵測汞離子 25 3.3 1 NM MPA-AU NPS對各種金屬的選擇性 31 3.4 修飾SINGLE-STRANDED DNA(SSDNA)至AU NPS表面，檢測在鹽溶液中聚集反應 33 3.5 1 NM SSDNA-AU NPS偵測汞離子 34 3.6 1 NM SSDNA-AU NPS對不同金屬離子選擇性 34 3.7 真實樣品測試 37 3.7.1 0.2 nM MPA-Au NPs於自來水和湖水中測定汞離子 37 3.7.2 1 nM MPA-Au NPs於自來水、湖水和溪水中測定汞離子 37 3.7.3 1 nM ssDNA-Au NPs於自來水、湖水和溪水偵測汞離子 44 3-8 在層析紙平臺以少量體積達到檢測汞 48 第四章 結論 50 參考文獻 5