利用DNA适配体对稀土元素进行动力学分析与亲和力表征

稀土元素（如钪Sc、钇Y和镧系元素Ln）因其独特的物理和化学性质，被誉为“工业维生素”，广泛应用于机械铸件、发光材料、高性能永磁体和医疗设备等高科技领域。然而，由于这些元素之间的化学性质极为相似且常伴生于矿物中，它们的分离过程极具挑战性。此外，随着稀土的开采污染问题逐渐显现。快速、低成本地检测和区分稀土元素对于资源的高效利用与污染监测至关重要。

核酸适配体因其独特的金属配位能力、高稳定性和易设计性，在金属离子识别方面具有显著优势。然而，目前的研究多集中于高亲和力配体的开发，对适配体结合和解离动力学的研究相对较少。针对这一科学空白，加拿大滑铁卢大学刘珏文教授（点击查看介绍）团队以Sc³⁺为目标离子，筛选出一种新的DNA适配体（Sc-1），并探讨了其在稀土检测与分离中的潜力。

图1. 筛选出针对Sc³⁺的DNA适配体Sc-1，显示其仅与稀土离子结合，对其他金属无反应。通过结合动力学分析，可将17种稀土元素分为三组。

研究团队通过Capture-SELEX技术，利用Sc³⁺为靶标，筛选得到DNA适配体 Sc-1。该适配体表现出对稀土离子良好的结合选择性。在硫黄素（Thioflavin T）荧光实验中发现，Sc-1仅对稀土离子显示出荧光变化，且Sc³⁺的结合速率显著慢于其他稀土离子，约需三分钟达到稳定结合状态，而其他稀土离子结合速率较快。当添加螯合剂EDTA后，各稀土离子的解离情况差异显著：1）第一类（即刻解离）。La³⁺、Ce³⁺、Pr³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺、Gd³⁺的荧光能迅速恢复至原始水平。2）第二类（缓慢解离）。Tb³⁺、Dy³⁺、La³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Yb³⁺、Lu³⁺、Y³⁺的荧光缓慢恢复。3）第三类（几乎不解离）。Sc³⁺在EDTA存在下荧光几乎没有恢复。这一实验结果表明，虽然Sc³⁺和EDTA的结合常数远高于Sc³⁺和适配体的结合，但Sc-1与Sc³⁺的复合物具有显著的动力学能垒，导致EDTA难以竞争结合。

图2. Sc-1分别与(A) Sc³⁺和 (B) Tb³⁺的结合动力学，并在加入100 μM EDTA后的荧光变化情况。Sc³⁺样品的荧光下降较慢，且加入EDTA后几乎没有荧光恢复。而Tb³⁺样品的荧光下降较快，加入EDTA后荧光逐渐恢复。(C) 显示了加入EDTA后荧光恢复的时间依赖性。

为了进一步分析Sc-1对稀土离子的真实结合能力，该团队采用荧光链置换法（Fluorescence strand-displacement assay）进行进一步研究。实验显示，Sc-1对重稀土的结合能力明显优于轻稀土。在10 mM浓度下，Gd³⁺前的镧系轻金属（如La³⁺）几乎没有荧光上升，而Gd³⁺后的重稀土离子（如Tb³⁺、Lu³⁺）荧光变化显著，且随着离子原子量的增加，荧光上升幅度更大。通过进一步校准，研究测定了适配体Sc-1对多种稀土离子的真实K_d值：Sc³⁺: 1.0 nM、Y³⁺: 0.6 nM、La³⁺: 258.5 nM、Nd³⁺: 41.2 nM、Tb³⁺: 3.3 nM、Lu³⁺: 0.6 nM。这些结果表明，Sc-1能够根据稀土金属的离子尺寸和亲和力区分不同的镧系金属，为稀土资源分类利用提供了重要的技术支持。

图3. （A）荧光链置换法示意图。（B）在SELEX缓冲液中，Sc-1适配体在不同浓度Sc³⁺存在下的动力学曲线。（C）Sc-1适配体对Sc³⁺的校准曲线。（D）Sc-1适配体对稀土元素离子的选择性。（E）Sc-1适配体对其他金属离子的选择性。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 杂志上。文章第一作者为华南农业大学联合培养博士研究生王锦。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Kinetic and Affinity Profiling Rare Earth Metals Using a DNA Aptamer

Jin Wang, Yunus A. Kaiyum, Xiangmei Li, Hongtao Lei, Philip E. Johnson and Juewen Liu

J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.4c13768

作者简介

刘珏文教授，加拿大滑铁卢大学化学系教授，博士生导师。2000年获得中国科学技术大学化学学士学位，2005年获美国伊利诺伊大学（UIUC）化学系博士学位，2009年加入滑铁卢大学，任化学系教授，加拿大生物传感方向Tier 1首席科学家。主要从事核酸对纳米材料的功能化修饰和核酸适配体生物传感器在医疗诊断、环境监测、食品安全等领域的应用研究，发表期刊研究论文400多篇，包括Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.,等，引用数超过48000余次，h-index高达107，2022、2023、2024年连续入选科睿唯安（Clarivate）“高被引科学家”。因在生物分析化学方面的突出贡献，曾获加拿大化学会Fred Beamish奖（2014）和McBryde Medal奖（2018）等多项奖励。现担任Biosensors & Bioelectronics杂志编委和Trends in Analytical Chemistry（TrAC）特约编辑。

https://www.x-mol.com/university/faculty/75566