由 Mg2+ 驱动的三重核酸级联反应放大了 Ru 编码的双金属 MOF 对 PFOA 的检测信号

《Analytica Chimica Acta》：Mg2+-driven triple nucleic acid cascades amplify Ru-encoded bimetallic MOF sign PFOA monitoring

基于NiRu MOF发光材料与三重核酸信号放大的电化学发光aptasensor实现PFOA超灵敏检测，检测限23.7飞摩尔，铁循环介导"on-off-on"信号淬灭-恢复机制有效抑制背景干扰。

　　

刘林毅|谢雅倩|彭月|任思毅|赖可道|谭学才|黄可静|冯德芬

光电化学/生物传感与分子识别重点实验室（广西民族大学），广西壮族自治区教育厅；广西壮族自治区森林产品化学与工程重点实验室；国家民族事务委员会森林产品化学与工程重点实验室；广西民族大学化学与化学工程学院，南宁530006，中国

摘要

全氟烷基物质（PFAS）由于其极强的持久性和生物累积倾向，对环境构成了重大危害。然而，现有的检测方法缺乏满足监管标准所需的超痕量灵敏度。在这项研究中，我们开发了一种创新的电化学发光（ECL）适配体传感器，专门用于检测全氟辛酸（PFOA），该传感器整合了三种先进技术。首先，通过水热封装Ru(bpy)₃²⁺合成了NiRu双金属有机框架（MOF）发光体，与单金属Ni-MOF相比，ECL强度提高了3.8倍。其次，开发了一种无需酶的三重核酸扩增级联反应，该反应由Mg²⁺离子催化，结合了催化发夹组装和T形DNA酶电路，实现了10⁵倍的信号放大。第三，采用铁茂介导的“开-关-开”淬灭-恢复机制有效抑制了背景信号。这一集成传感平台达到了前所未有的检测限23.7飞摩尔（0.0098 ng/L），比美国环境保护署的饮用水标准高出400倍，并在真实水样中显示出95.1%至97.7%的回收率。这项工作代表了第一种基于MOF的ECL方法，它将双金属增强与金属离子催化的核酸扩增相结合，为痕量环境污染物的灵敏监测提供了一个多功能框架。

引言

全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）是一类广泛存在的人造化学品，其特征是含有多个碳-氟键。其中，全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）是最臭名昭著且研究最广泛的成员，它们具有八碳骨架和完全氟化，这赋予了它们极强的环境持久性、生物累积潜力以及已记录的毒理学效应。[1]尽管PFOA在工业应用中得到广泛应用，但新的证据表明，PFOA可能损害人类肝功能，并在野生动物中引发发育和生殖障碍[2]、[3]。它们化学结构稳定，难以降解，导致在环境中积累，即使浓度很低也会增加健康风险[4]。PFOA污染在水生系统中尤为普遍，这突显了监测水源的迫切需求[5]。2022年，美国制定了饮用水指南，建议PFOA的限值为4 ng/L，PFOS的限值为0.02 ng/L[6]。尽管高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）被广泛认为是主要的检测方法，但其应用受到样品预处理和检测程序复杂性、高昂的仪器和运营成本以及实现现场或实时监测的重大挑战的阻碍[7]、[8]、[9]、[10]。此外，这种技术需要昂贵的仪器和较长的操作时间，因此迫切需要开发更简单、更快速的PFOA检测方法[11]。电化学发光（ECL）是一种强大的分析技术，它通过电子转移反应将电能转化为辐射能，产生在弛豫时发光的激发态物种[12]、[13]、[14]。通过结合电化学和化学发光，ECL具有高灵敏度、成本效益、低背景干扰和快速检测等优点[15]。这些特性使其在可穿戴设备传感器、细胞成像、基因分析、金属离子、蛋白质、细菌和病毒检测等领域得到广泛应用[16]。然而，ECL方法也存在一些局限性，如复杂样品中电极污染导致的信号不稳定、依赖可能消耗和具有毒性的共反应物，以及需要提高灵敏度。为了克服这些挑战，最近的研究策略包括开发高效的新发光体、使用纳米材料进行信号放大，以及整合微流控平台以提高灵敏度和通量。这些持续进展不断扩展了ECL在检测PFOA等新兴污染物方面的应用范围。

ECL材料种类繁多，其中Ru(bpy)₃Cl₂因其出色的稳定性、高灵敏度和优异的ECL性能而被广泛使用[17]。然而，Ru(bpy)₃²⁺的有限重复使用性导致了发光材料的过度消耗和生态污染[18]。金属有机框架（MOFs）作为一种新兴材料，具有高比表面积、优异的化学稳定性和热稳定性[19]、[20]、[21]。MOFs的显著孔隙性为Ru(bpy)₃²⁺的固定提供了新的研究途径。然而，Ru复合物带来的巨大空间位阻常常导致MOF-Ru复合材料的稳定性较差[22]。在这项工作中，我们提出了一种具有优异稳定性和灵敏度的双金属复合MOF材料。在水热条件下使用离子交换方法，用钌替代MOF结构中的镍，有效锚定了Ru[23]、[24]。与原始Ni-MOF相比，将钌掺入NiRuMOF显著提高了ECL发射效率，同时保持了良好的稳定性[25]。

为了提高检测灵敏度，研究人员采用了多种信号放大技术，包括核苷酸扩增。然而，某些单核苷酸扩增策略始终面临许多障碍，如扩增效率有限和反应连续性中断[26]。为了解决这些问题并提高检测灵敏度，我们引入了一种由Mg²⁺催化的三重扩增核酸信号放大策略[27]。通过精心设计DNA序列并阐明其动态机制，这种方法不仅为计算和监管目的提供了新工具，还促进了生物医学研究、环境监测、纳米技术等相关领域的广泛应用[28]。

在这项研究中，我们通过水热法合成了NiRuMOF，并构建了一种新型的超灵敏PFOA检测策略，将高特异性适配体与多种信号放大反应相结合。如图1所示，适配体与PFOA结合后，cDNA链被释放。cDNA使磁珠上的H1发夹解离，随后被H2发夹取代，从而进入CHA1循环。这一过程导致S2链从磁珠中释放出来，然后通过磁分离法分离出来。S2链被引入含有H3、H4和H5发夹的混合溶液中，依次打开这些发夹形成T形三螺旋链，释放出隐藏在发夹中的Mg²⁺识别序列。在Mg²⁺催化下，T形三螺旋将H6发夹分裂成两条输出链。传感平台的构建步骤如下：首先，将NiRuMOF溶液涂覆在玻璃碳电极（GCE）表面，产生强烈的初始ECL信号。随后，在电极表面沉积金纳米颗粒（AuNPs），并通过金硫键固定Fc功能化的双链。由于Fc的强淬灭能力，Ru(bpy)₃²⁺的发射被有效抑制，导致ECL信号减弱。由于输出链与Fc功能化单链的特异性杂交，破坏了淬灭相互作用，从而恢复了ECL信号，实现了“开-关-开”的信号转换。

仪器和试剂

仪器和试剂的详细描述见支持信息。所用核酸序列也在支持信息中有所说明。

NiRuMOF的制备

NiRuMOF的合成遵循改良的程序[29]进行，简而言之，将200 mg Ni(NO₃)₂·6H₂O、20 mg Ru(bpy)₃Cl₂·6H₂O、300 mg聚维吡咯烷酮和36 mg草酸溶解在30 mL DMF中，并进行超声处理直至均匀分散。所得溶液在80 °C下加热24小时，得到橙黄色浑浊悬浮液。

纳米材料的表征

使用扫描电子显微镜（SEM）研究了NiRuMOF的形态特征。图1A、1B、1C和1D中的SEM图像展示了不同分辨率下的NiRuMOF形态。其形态特征是不规则的立方结构，尺寸约为200纳米。通过能量散射X射线光谱（EDS）进一步确认了NiRuMOF的成分。

结论

本研究开发了一种超灵敏的ECL适配体传感器，用于检测全氟辛酸（PFOA）。该传感器架构结合了水热合成的镍-钌金属有机框架（NiRuMOF）发光体与Mg²⁺催化的三重核酸扩增，通过铁茂介导的“开-关-开”信号调制，实现了23.7飞摩尔的记录低检测限。所提出的传感平台表现出出色的性能。

作者声明没有竞争性财务利益。

CRediT作者贡献声明

黄可静：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、概念化。 谭学才：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、资金获取。 赖可道：概念化。 任思毅：概念化。 冯德芬：撰写——审稿与编辑、概念化。 彭月：概念化。 谢雅倩：概念化。 刘林毅：撰写——初稿、方法学、研究。

未引用的参考文献

[31], [32], [33], [34]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

作者没有权限共享数据。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：22264004、22074130）、广西重点研发计划项目（编号：AB22035080）、广西自然科学基金（2024GXNSFAA010431）、广西重点研发项目（编号：AB18126048）、广西创新驱动发展专项基金项目（编号：AA18118013-10）、广西中医药质量标准重点实验室等的财政支持。