作者：李凯宁、李灿、丁仁杰、孙宇、邱婉婷、李春香
所属机构：教育部光电传感与分析化学生命科学重点实验室、先进光学聚合物与制造技术国家重点实验室、青岛科技大学，中国青岛市266042
摘要
本文开发了一种基于DNA链置换反应和激子能量转移的双模式光电化学（PEC）/荧光（FL）生物传感平台，用于灵敏检测载脂蛋白E（ApoE）。该系统结合了用DNA双链修饰的CdTe量子点（CdTe@S1/S2）以及用DNA和金纳米粒子修饰的ZnIn₂S₄/CdSe异质结光电电极（ZnIn₂S₄/CdSe/S3/S4@Au）。在ApoE存在下，目标分子的识别会引发互补DNA（cDNA）的释放，从而启动一系列链置换反应。这些过程导致电极表面释放金纳米粒子，使PEC信号恢复；同时通过激子能量转移实现CdTe量子点的荧光淬灭。双信号输出通过交叉验证提高了分析的可靠性。在优化条件下，该平台表现出宽线性范围、低检测限以及良好的特异性和重复性。这项工作展示了基于DNA链置换和纳米材料辅助信号转导构建双模式生物传感系统的可行策略，为检测低丰度生物标志物提供了潜力。
引言
灵敏且精确的生物标志物检测方法对于严重疾病的筛查、早期诊断和治疗至关重要[1]、[2]。由于复杂生物环境中分析物的丰度较低，开发具有足够灵敏度和特异性的可靠策略仍然是一个挑战。人们已经投入了大量努力来提高低丰度生物标志物的检测灵敏度[3]、[4]。由于沃森-克里克碱基配对的高特异性和可预测性，DNA分子机器引起了广泛关注，并在包括分子自组装[5]、生物传感[6]、[7]、医学诊断[8]、[9]和生物成像[10]、[11]在内的多种应用中展现出巨大潜力。特别是，最近合理设计了多种无需酶的信号放大策略，这些策略依赖于DNA链置换，如杂交链反应（HCR）[12]、催化发夹组装（CHA）[13]、[14]、DNA行走器[15]、[16]和熵驱动的DNA电路[17]、[18]，用于生物传感器中的信号转导和放大[19]。其中，CHA和HCR已被证明在工程化催化信号放大和转导多种信号模型（包括电化学[20]、荧光[21]和比色法[22]）方面具有稳健性。然而，这两种最常用的方法都依赖于多个DNA发夹结构，这需要严格和复杂的设计。此外，基于DNA发夹的检测方法经常受到内在限制的阻碍，主要与发夹基序的构象受限有关[23]、[24]。相比之下，设计单链线性DNA相对简单快捷。例如，吴等人报道了将单链线性DNA与纳米材料结合，实现了对目标的高灵敏度检测[25]。总体而言，基于单链线性DNA的纳米机器是解决DNA发夹基信号放大策略缺点的另一种选择。
除了高灵敏度外，实现生物传感器的高准确性和可靠性仍然是一个长期存在的挑战。然而，依赖单一输出模式的传统检测策略（如电化学[26]、[27]、荧光[28]、[29]）通常受到抗干扰能力有限、高背景和由于实验程序变化、操作技术或复杂检测环境导致的假阳性信号的影响，这些因素不可避免地降低了分析的准确性和可靠性。为了克服这些缺点，双模式读出策略应运而生，这些策略整合了两种不同的信号转导模式（如比色/表面增强拉曼散射（SERS）[30]、比色/PEC[31]、[32]、电化学/SERS[33]、电化学发光（ECL）/电化学（EC）[34]），从而实现交叉验证并提高实际样本的检测准确性和可靠性。在这些有前景的双模式方法中，PEC和荧光（FL）检测的结合具有显著潜力[35]。PEC生物分析作为一种强大的分析技术，以其低背景和出色的灵敏度而著称[36]、[37]、[38]，得益于激发光和检测信号的总分离。但在复杂生物基质中的性能仍受到低目标浓度时非特异性吸附的挑战[39]、[40]、[41]。而FL检测则具有根本性的不同，它可以克服PEC的关键限制，包括对电极污染的敏感性、来自电活性物质的干扰，并提供在复杂基质中仍然稳健的光学解耦信号[42]。因此，通过将FL与PEC检测结合，双信号方法不仅通过内在的自验证提高了可靠性和准确性，还扩展了在不同样本类型中的操作灵活性。
本文提出了一种基于设计良好的链置换DNA纳米机器作为信号放大策略的强大双模式PEC/FL生物传感平台，以载脂蛋白E（ApoE）作为模型。如图1所示，在目标不存在的情况下，DNA修饰的纳米结构CdTe@S1/S2和ZnIn₂S₄/CdSe/S3/S4@Au处于稳定状态，此时金纳米粒子的存在会淬灭PEC信号，而CdTe量子点的荧光得以保留。当引入ApoE时，适配体与ApoE之间的特异性结合会引发cDNA的释放，从而与DNA双链结构发生链置换反应。这些相互作用导致S2和Au@S4的释放，使PEC信号恢复。同时，Au@S4可以与基于CdTe的DNA结构进一步相互作用，通过激子能量转移实现荧光淬灭。整个传感过程涉及一系列链置换相互作用和纳米材料介导的信号转导事件，从而实现ApoE的双模式信号输出。
章节片段
试剂和设备
关于试剂、设备、DNA序列以及ZnIn₂S₄/CdSe量子点、CdTe量子点、ssDNA S4功能化金纳米粒子（Au@S4）的制备和Au纳米粒子及Au@S4的特性分析（见图S1）的详细信息，请参见支持信息。
CdTe@S1/S2的制备
200 μL制备好的CdTe量子点与1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide（EDC，20 mg/mL）和N-Hydroxysuccinimide（NHS，10 mg/mL）在100 μL水溶液中孵育进行活化处理，反应条件如下
ZnIn₂S₄、CdSe量子点和CdTe量子点的特性分析
制备好的ZnIn₂S₄纳米片通过扫描电子显微镜（SEM）进行表征。如图1A所示，它呈现出三维多孔阵列，由相互连接的纳米片组成。CdSe和CdTe量子点通过透射电子显微镜（TEM）进行表征。图1B显示CdSe量子点呈球形，平均直径约为2 nm；而球形CdTe量子点的平均尺寸约为5 nm（见图1C）。Au纳米粒子的UV–vis吸收光谱
结论
总之，本文提出了一种简单而高效的PEC/FL双模式生物传感平台，该平台利用智能DNA纳米机器实现了对人血清样本中ApoE的超灵敏和可靠检测。通过整合自主DNA纳米机器电路和量子点与金纳米粒子之间的激子能量转移，实现了信号放大和双PEC/FL信号输出，从而在灵敏度和准确性方面取得了显著提升。此外，这些优雅的DNA纳米机器
CRediT作者贡献声明
丁仁杰：撰写 – 审稿与编辑。邱婉婷：数据管理。孙宇：验证。李灿：软件、形式分析。李凯宁：撰写 – 原稿撰写、软件、方法学、研究、数据管理。李春香：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金申请。
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
本研究得到了中国自然科学基金（编号21775079）和山东省自然科学基金（编号ZR2023MB098）的支持。
