基于尼金(Nicking)控制的生物传感器:将DNA步行器(DNA Walker)-RCA电路与三金属纳米酶结合用于检测黄曲霉毒素B(Aflatoxin B)

时间:2026年2月4日
来源:Analytica Chimica Acta

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电化学发光传感器通过整合DNA行走介导的环扩增与三金属Au@Ag–Pt核壳纳米酶实现黄曲霉毒素B1的高灵敏度检测,建立信号-off机制,检测限达2.72×10-11 mg/mL。

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金龙生|刘玉静|夏文清|周美玲|肖紫英|葛京宇|袁晓|朱琴强|吴美生
南京农业大学理学院化学系,中国江苏省南京市纬岗1号,210095

摘要

背景

黄曲霉素B1(AFB1)是一种高毒性的霉菌毒素,对全球食品安全和公共健康构成严重威胁。摄入这些受污染的产品会对食品安全系统和公共健康造成重大风险。尽管已有各种检测技术,但对农产品中AFB1污染的高灵敏度分析需求仍在推动改进方法的发展。

结果

在这项工作中,我们开发了一种新型电化学发光(ECL)生物传感器,通过将电置换合成的Au@Ag–Pt纳米酶与DNA步行器控制的滚环扩增(RCA)电路结合,实现了对黄曲霉素B1(AFB1)的灵敏检测。这种核壳结构Au@Ag–Pt纳米酶具有优异的导电性、增强的过氧化物酶活性和电催化性能,使得ECL信号放大了17.67倍。我们建立了一种基于AFB1诱导的DNA结构变化和酶切反应的“信号关闭”机制,有效抑制了RCA过程并减少了纳米酶标记物的固定。该生物传感器的检测范围为5×10^-11至5×10^-5 mg/mL,检测限为2.72×10^-11 mg/mL。其对常见干扰霉菌毒素具有高选择性,重复性良好,回收率在82.7%到110.5%之间。

意义

这项工作不仅为霉菌毒素监测提供了一个可靠的平台,还推动了纳米酶工程在生物传感领域的应用,为食品安全和环境监测带来了重要前景。

引言

黄曲霉素B1(AFB1)是由曲霉菌产生的重要霉菌毒素,因其极强的肝毒性和致突变性被归类为1类致癌物。在储存不当的情况下,玉米、小麦和花生等农产品中容易受到其污染。摄入这些受污染的产品会对食品安全系统和公共健康造成重大风险。因此,由于AFB1的浓度极低(世界卫生组织设定的限量为5 μg/kg),对其在农产品中的灵敏和准确检测具有挑战性。
已经开发了多种AFB1检测方法,包括高效液相色谱(HPLC)、酶联免疫吸附测定(ELISA)[2]、质谱[3]和生物传感技术[4][5]。其中,生物传感技术因其能够整合特定的生物识别元件和先进的信号放大策略而被认为是高效有效的AFB1检测方法。基于核酸扩增的生物传感器特别值得关注,因为它们具有可编程的DNA自组装和无需酶的信号增强机制[6][7]。例如,杂交链反应(HCR)和滚环扩增(RCA)电路可以通过链置换自主生成长重复的DNA链,从而提高信号探针的浓度[8][9]。熵驱动的DNA电路通过连续释放DNA链实现级联循环扩增[10]。最近,胡等人结合RCA和CRISPR/Cas12a技术开发了一种一步法等温检测方法,用于AFB1的荧光和视觉(侧向流动条)检测,分别达到了0.016 ng/mL和0.408 ng/mL的检测限[11]。
将核酸扩增技术与功能性纳米材料结合可以为进一步提高生物传感性能提供新的途径[12][13]。例如,索等人创新性地使用RCA构建了富含腺嘌呤的DNA纳米花(DNFs)[14]。这些DNFs作为支架,在Mn–MOF纳米表面上原位合成了荧光金纳米簇(DNF@AuNCs),并通过鸟嘌呤富集的局部催化发夹组装(LCHA)实现了精确锚定。这种设计导致荧光淬灭现象,原因是电子的近距离转移。同时,纳米酶工程作为强大的生物传感催化纳米材料也得到了发展[15]。纳米酶模仿天然酶催化H2O2分解,产生关键中间体(活性氧物种ROS),显著增强了ECL、电化学、化学发光(CL)和比色系统中的信号输出[16][17]。重要的是,金属纳米酶表现出增强的界面电子转移动力学和出色的电催化活性[18][19]。最近的研究表明,多金属纳米酶由于不同元素之间的协同效应,比单组分纳米酶具有更好的光学和化学性能[19][20]。例如,基于Pt–Ni的纳米酶在将H2O2转化为超氧阴离子方面表现出更优异的催化性能,从而显著增强了ECL信号[17]。Au/Pt双金属纳米酶表现出类似过氧化物酶、氧化酶和过氧化氢酶的活性[21][22],而PtSn双金属纳米酶同时具有过氧化物酶和过氧化氢酶的活性[23]。此外,Pd@Ir核壳纳米酶对TMB的米氏常数(Kcat)值较高,表明其对TMB具有高亲和力和优异的催化速率[24]。
在这项工作中,我们通过将DNA步行器介导的RCA组装与三金属Au@Ag–Pt核壳纳米颗粒(Scheme 1)的优异催化活性结合,开发了一种创新的双扩增生物传感器用于AFB1的ECL检测。DNA步行器被设计用来启动目标响应的切割循环,精确调控随后的RCA过程。长重复的RCA产物可以有效捕获大量Au@Ag–Pt纳米颗粒。Au@Ag–Pt纳米颗粒作为高效的纳米酶,催化鲁米诺/H2O2反应,由于其优异的过氧化物酶样活性和高导电性,显著增强了ECL信号。然而,当目标被识别时,DNA步行器被释放并与P1杂交,暴露出Nb.BbvCI内切酶的识别位点。这启动了P1的催化切割,有效终止了RCA过程并防止了后续的纳米酶组装。由此导致的可催化位点减少产生了依赖于AFB1浓度的ECL淬灭效应,建立了一种可靠的“信号关闭”检测机制。

部分内容

三金属Au@Ag–Pt纳米颗粒的合成

三金属Au@Ag–Pt纳米颗粒是通过电置换反应合成的,对先前报道的方法进行了少量修改[25]。所有玻璃器皿在使用前都浸泡在王水中6小时并彻底清洗。Au核心采用种子生长法合成:首先向48毫升超纯水中加入500微升25 mM HAuCl4,并在持续搅拌下加热至沸腾。然后逐滴加入1.5毫升1%的三钠柠檬酸,继续搅拌。

生物传感器的机制

我们通过将DNA步行器介导的滚环扩增(RCA)与三金属Au@Ag–Pt核壳纳米颗粒(NPs)的优异催化活性结合,开发了一种高灵敏度的ECL生物传感器,实现了协同的双信号放大。首先,由DNA步行器(部分与适配体杂交)和探针P1形成的复合物被固定在电极表面(Scheme 1A)。随后引入了一个锁形探针,其两个臂分别...

结论

本研究提出了一种新型ECL生物传感平台,将三金属纳米酶与DNA步行器介导的扩增策略相结合用于AFB1的检测。Au@Ag–Pt核壳纳米酶显著增强了催化活性和导电性,从而显著放大了ECL信号。结合DNA步行器控制的滚环扩增(RCA),实现了“信号关闭”检测机制。这种双扩增方法有效...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

作者贡献声明

葛京宇:撰写初稿、软件开发。袁晓:方法学设计、数据分析。周美玲:软件开发、方法学设计。肖紫英:数据分析、数据管理。吴美生:撰写初稿、指导、方法学设计、资金申请。朱琴强:数据管理。刘玉静:数据分析。夏文清:软件开发、方法学设计。金龙生:数据分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中央高校基本科研业务费(YDZX2024017)和国家自然科学基金(21675087)的支持。

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