基于DNA四面体纳米结构微胶囊增强催化发夹组装的无酶电化学发光传感器用于血清素超灵敏检测

《Biosensors and Bioelectronics》：DNA tetrahedral nanostructures-loaded DNA microcapsule-enhanced catalytic hairpin assembly for electrochemiluminescence detection of serotonin

本工作创新性地构建了一种基于DNA四面体纳米结构（DTNs）微胶囊释放策略与催化发夹组装（CHA）信号放大技术协同驱动的电化学发光（ECL）自淬灭生物传感器，实现了对神经递质血清素（1.0 pM–1.0 μM）的高灵敏度检测（检测限达0.3 pM）。该传感器通过刺激响应型DNA微胶囊控释DTNs，借助DTNs的刚性三维结构提升CHA反应效率，并利用CdS QDs与Au NPs之间的ECL共振能量转移（ECL-RET）实现信号转导，为血清素相关疾病的精准诊断提供了新技术平台。

　　

^?Chemicals and reagents

实验所需化学试剂与材料详见支持信息，本研究中使用的核酸序列信息列于表S1。

^?Fabrication of DTNs-loaded DNA microcapsules

如方案图1A所示，DTNs及其负载型DNA微胶囊的制备包含三个关键步骤，具体流程详见补充材料。

^?The release of serotonin-depended DTNs

为实现DTNs的可控释放，将不同浓度的血清素与100 μL DTNs负载DNA微胶囊溶液（500 capsules/μL）混合，孵育100分钟。随后通过离心分离获得游离的DTNs，用于后续实验。

^?Sensing principle of the ECL biosensor

方案图1展示了基于DTNs微胶囊的信号转导与放大机制、血清素检测结合CHA循环反应流程以及Au NPs对CdS量子点ECL信号的淬灭原理。首先，通过静电吸附作用，序列S1、S2和适配体依次在聚烯丙胺（PAH）修饰的DTNs@CaCO₃表面交联组装，形成DNA壳层包裹的DTNs@CaCO₃微球。加入EDTA后，核心模板CaCO₃颗粒因Ca²⁺螯合而溶解，最终形成空腔结构的DNA微胶囊。当血清素存在时，其特异性结合适配体引发DNA壳层解体，从而释放出大量负载的DTNs。这些DTNs表面修饰的刺激DNA链可激活电极表面的CHA反应：首先，DTNs上的刺激链与固定在电极上的H1发夹探针结合，打开发夹结构并暴露其茎部序列；随后，溶液中的H2-Au NPs复合物与H1发生杂交，置换出刺激链并形成稳定的H1-H2双链体，同时使Au NPs紧密锚定于电极表面。由于CdS QDs与Au NPs空间距离接近，发生ECL-RET效应，导致CdS QDs的ECL信号被Au NPs高效淬灭，从而实现血清浓度的定量检测。

^?Conclusions

本研究成功构建了一种用于超灵敏血清素定量检测的创新性ECL生物传感平台，其核心优势在于三个功能模块的协同运作：（i）靶标触发型DTNs从可编程微胶囊中的可控释放；（ii）CHA介导的指数级信号放大；（iii）Au NPs实现的精准ECL淬灭。这些元件的协同作用使传感器在1.0 pM至1.0 μM的宽线性范围内呈现出卓越的分析性能，检测限低至0.3 pM（按3σ/斜率计算），并在人血清与细胞裂解液样本中表现出良好的检测可靠性。该策略为神经递质痕量检测提供了高效、简单的分析新范式。