一种DNA四面体纳米结构驱动了一种“信号关闭”型荧光生物传感器，可实现超灵敏的汞离子检测

《Talanta》：A DNA tetrahedral nanostructure actuates a “signal-off” fluorescent biosensor for ultrasensitive detection of mercury ions

本研究开发了一种基于可编程四面体DNA纳米结构（TDN）的“信号-off”荧光汞离子传感器。通过将淬灭剂固定在TDN顶点，并连接荧光标记的T-富含aptamer，初始荧光信号显著。汞离子结合导致aptamer构象变化，荧光淬灭效率提升，实现1.1 nM的超低检测限，并具有高选择性和稳定性，适用于环境水和食品中汞离子的快速检测。

　　

程书文|金秀燕|张宇|卜胜军|刘立明|周春阳|庞春英

长春科技大学生命科学技术学院，医疗器械创新联合实验室，中国长春，130000

摘要

传统的“信号开启”型荧光汞离子（Hg²⁺）生物传感器的性能受到高背景噪声的限制。在此，我们通过设计一种基于可编程四面体DNA纳米结构（TDN）的“信号关闭”型纳米传感器来克服这一限制。该纳米结构通过顶点淬灭剂和荧光标记的富含胸腺嘧啶（T）的适配体进行精确功能化，从而产生最大的初始信号。目标物质诱导的T-Hg²⁺-T配位作用使适配体折叠成发夹结构，通过高效的FRET机制将荧光团强制靠近淬灭剂，实现显著的荧光淬灭效果。TDN不仅作为静态支撑结构，还充当主动信号放大器，其预组织能力显著提高了传感器的灵敏度。最终开发的传感器具有超低检测限（1.1 nM）、优异的选择性和稳定性，并能在环境水中准确量化Hg²⁺。这项工作建立了一种新的设计范式，突显了DNA纳米结构作为先进生物传感动态组件的变革性作用。

引言

食品供应链的全球化虽然确保了食品的多样性和可获得性，但也加剧了化学污染的风险，因此对食品安全监测提出了前所未有的严格要求[1]。在各种污染物中，汞离子（Hg²⁺）因其极高的毒性、环境持久性和强大的生物累积能力而尤为突出[2,3]。汞离子来源于工业排放、采矿和农业径流，会渗透到土壤和水系统中，最终通过受污染的农作物和海鲜进入人体[4,5]。即使暴露于微量水平的Hg²⁺也会导致严重的、通常是不可逆的健康问题，包括神经毒性、肾毒性和发育障碍，麻省水俣病就是悲剧性的例证[6,7]。为此，世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（EPA）等监管机构对饮用水中的Hg²⁺设定了严格的限制（分别为6 μg L^?1和2 μg L^?1），这凸显了需要高度灵敏且适合快速现场检测的分析方法的重要性。

目前用于检测Hg²⁺的技术多种多样。例如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）[8]和原子吸收光谱（AAS）[9]具有出色的灵敏度，但受限于昂贵的非便携式仪器、复杂的样品预处理和专门的操作技能，因此主要应用于集中式实验室[10,11]。基于荧光的生物传感器作为一种有前景的替代方案，因其操作简便、高选择性和实时分析潜力而受到重视[[12], [13], [14]]。然而，传统的“信号开启”型传感器存在固有局限性：难以在非零背景噪声中区分特定信号增强，容易受到复杂样品基质和非特异性探针激活的影响[15,16]，从而影响信噪比。相比之下，“信号关闭”型传感器通过利用荧光减弱来实现更高的信噪比，因为它们能最小化初始背景噪声[17]。因此，核心挑战不在于选择哪种技术范式，而在于设计一个能够在目标结合时产生高初始信号和可靠淬灭响应的“信号关闭”系统。

在这一领域的一个关键进展是使用了富含胸腺嘧啶（T）的DNA序列作为适配体。这一发现基于T-Hg²⁺-T配位化学原理，即Hg²⁺能够特异性地与两个胸腺嘧啶碱基结合，形成稳定的复合物并诱导DNA链发生可预测的构象变化[18], [19], [20]。DNA纳米技术为将这种分子识别转化为稳健且灵敏的“信号关闭”信号提供了有力工具。特别是四面体DNA纳米结构（TDN）作为理想支架，其刚性的三维框架能够以纳米级精度精确定位生物分子探针（如适配体）[21,22]。尽管TDN已被用于其他Hg²⁺检测机制[23,24]，但据我们所知，此前尚未有研究将富含胸腺嘧啶的适配体与TDN支架结合，以利用其结构进行超灵敏检测。这一能力超越了传统支架的功能，实现了传感元件的最优配置。

在本研究中，我们开发了一种创新的“信号关闭”型荧光纳米传感器，将DNA纳米技术的可编程性与富含胸腺嘧啶的适配体的特异性相结合。TDN支架的顶点被淬灭分子（Black Hole Quencher 1，BHQ-1）功能化，而FAM标记的Hg²⁺特异性适配体则固定在其上。这种结构确保了荧光团和淬灭剂之间的较大初始距离（如图1A所示），从而产生高初始荧光信号（“开启”状态）。当引入Hg²⁺时，特定的T-Hg²⁺-T配位作用使适配体折叠成发夹结构，使FAM靠近BHQ淬灭剂，触发高效的FRET效应，导致荧光显著减弱（“关闭”状态）。通过这种精心设计，TDN不仅作为被动载体，还作为主动信号放大器，使适配体能够进行大规模的杠杆式运动，最大化信号变化。该平台在真实水样中实现了超低检测限、优异的选择性和可靠的性能，为重金属传感器设计开辟了新范式，具有重要的环境和食品安全应用潜力。

仪器和试剂

本研究中使用的所有DNA寡核苷酸均由浙江Hippo Biotechnology有限公司合成和纯化。四面体DNA纳米结构（T1–T4）和FAM标记适配体（Apt-1–Apt-4）的序列详见支持信息中的表S1。DNA浓度通过Thermo NanoDrop One分光光度计在260 nm波长处测定。

传感机制原理

重金属检测生物传感器的开发常常面临灵敏度和选择性之间的平衡挑战。为了解决这个问题，我们设计了一种基于自组装四面体DNA纳米结构（TDN）的“信号关闭”型荧光平台，该结构通过适配体实现了汞离子（Hg²⁺的超灵敏检测。TDN的刚性框架能够将识别探针精确定位和定向，从而

结论

总结来说，我们通过将刚性的四面体DNA纳米结构（TDN）与富含胸腺嘧啶的适配体结合，并采用合理的“信号关闭”设计，开发出了高性能的Hg²⁺生物传感平台。该平台表现出优异的分析性能，包括1.1 nM的检测限、优异的选择性和稳定性。控制实验和理论分析证实，信号确实来源于特定的T-Hg²⁺-T配位作用

CRediT作者贡献声明

程书文：撰写——初稿、可视化、验证、方法学设计、实验研究、数据分析。金秀燕：验证、实验研究、数据分析。张宇：数据分析。卜胜军：指导、概念设计。刘立明：撰写——审稿与编辑、指导。周春阳：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、指导、项目管理、资金获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：32501273）的支持。