一种高选择性、高灵敏度的荧光生物传感器，用于检测Pb2+：其设计灵感来源于DNA与两种纳米片之间的不同吸附能力

《Microbiology Resource Announcements》：Highly selective and sensitive fluorescence biosensor for Pb2+ detection: inspired by the different adsorption capacities of DNA with two types of nanosheets

铅离子（Pb2?）检测纳米材料研究：制备CoOOH和MnO?纳米片，发现MnO?更易吸附长链DNA，利用其作为荧光淬灭剂构建“信号-on”传感器，检测限0.1nM，线性范围1-100nM，并成功应用于河水与鱼类样本检测，结合智能手机实现便携式检测。

　　铅离子（Pb2?）是一种广泛存在的有毒重金属，对环境安全和公众健康构成严重威胁。因此，迫切需要开发简单、灵敏且成本效益高的替代解决方案。本研究通过简便、高效且节省人力的方法制备了钴氧氢氧化物纳米片（CoOOH NSs）和二氧化锰纳米片（MnO? NSs），并对这两种二维层状纳米片的性质进行了比较，特别是它们对单链DNA（ssDNA）的吸附能力。研究发现，CoOOH NSs更容易吸附短链ssDNA，而MnO? NSs则相反。为了实现“信号开启”（signal-on）的分析策略，MnO? NSs被选为核酸吸附剂和荧光猝灭剂。结合GR5 DNAzyme对Pb2?的特异性激活，构建了一种简单快速的荧光生物传感器用于Pb2?的检测。在激发波长为495 nm的情况下，520 nm处的荧光强度随着Pb2?浓度的升高而增加。该生物传感器具有1–100 nM的宽线性范围和0.1 nM的低检测限。此外，该方法已被应用于实际样品，包括河水和鱼类，取得了良好的回收率，与电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）相比，结果无显著差异。同时，借助智能手机的支持，实现了对Pb2?在1–100 nM范围内的定量检测。所制备的颜色图也可以用于便携式检测。本研究加深了对纳米材料与DNA吸附机制的基本理解，并为进一步合理设计生物传感器提供了理论支持。

铅离子作为一种广泛分布的重金属，具有生物累积性和非生物降解性，其在低浓度下即可引发神经系统和肾脏疾病的危害，并对免疫系统造成影响。为了防止公众可能接触到的铅污染，相关监管标准和指南已被制定，以限制铅含量。世界卫生组织（WHO）建议饮用水中铅离子的可接受限值应低于10 ppb。传统的铅离子检测方法主要包括原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法和X射线荧光光谱法。尽管这些方法具有高精度和高灵敏度，但它们也存在一些固有的限制，例如仪器复杂、样品预处理过程繁琐以及成本高昂。因此，开发一种简便、快速且成本效益高的方法，以实现对铅离子的高灵敏度和高特异性检测，对于保障食品安全和环境安全至关重要。

DNAzyme是一种具有催化活性的DNA基酶，因其简单合成、经济性、高化学稳定性和抗干扰能力，被广泛应用于生物传感器的构建。近年来，利用功能性核酸作为分子识别元件检测重金属成为研究热点。DNAzyme可以通过体外筛选方法获得，其对特定金属离子具有响应性。其中，铅离子依赖型DNAzyme是一种由底物链和酶链组成的双链DNA结构。当铅离子存在时，DNAzyme被激活，导致底物链在核糖-腺嘌呤（rA）位点被切割成两个独立的片段。这种特性可以与其他纳米材料结合，构建出灵敏且特异的检测平台。

二维（2D）纳米材料因其独特的层级结构、高比表面积、良好的稳定性和表面功能化能力，在生物传感领域展现出巨大的潜力。特别是在光学分析中，钴氧氢氧化物纳米片（CoOOH NSs）和二氧化锰纳米片（MnO? NSs）因其原料成本低、合成简便、良好的生物相容性、高负载能力和优异的光吸收性能而受到关注。然而，大多数基于二维纳米材料的铅离子检测研究通常仅使用单一类型的纳米材料，且未能深入探讨结构相似的纳米片之间对不同长度和结构核酸的吸附差异。这在一定程度上限制了“信号开启”策略的合理设计，特别是针对由目标物质引起的核酸结构变化。功能性核酸（如DNAzyme和适配体）与纳米材料之间的相互作用，尤其是吸附和解吸行为，是设计高性能生物传感器的核心。这些动态相互作用高度依赖于环境因素，如pH值、离子强度和温度，这些因素可以被精确调控以控制传感过程。值得注意的是，不同的纳米材料对不同长度和结构的核酸具有不同的吸附偏好，这一特性可以巧妙地用于设计不同类型传感器。例如，某些纳米片可能对单链核酸具有更强的亲和力，而另一些则可能优先吸附较短的序列，这为开发基于序列特异性或结构响应的生物传感平台奠定了基础。

本研究通过探讨不同长度DNA在CoOOH NSs和MnO? NSs上的吸附与解吸机制，并对这两种纳米片的性质进行了比较。随后，选择更合适的纳米片作为吸附剂和荧光猝灭剂，结合DNAzyme构建了一种用于铅离子检测的荧光生物传感器。在此过程中，DNAzyme被用作特异性分子识别元件，通过不同结构和长度的核酸序列对层状纳米材料的结合能力差异，实现铅离子存在与不存在时荧光信号的显著变化，从而实现对环境和食品基质中铅离子的精准和超灵敏检测。这种设计不仅提高了检测的准确性，还为实际应用提供了可行性。此外，本研究还展示了该方法在实际样品中的应用效果，包括河水和鱼类样本，回收率良好，与传统的ICP-MS方法相比，结果无显著差异。通过智能手机支持，实现了对铅离子在1–100 nM范围内的定量检测，进一步提升了检测的便捷性和实用性。同时，所制备的颜色图也可以用于便携式检测，为现场快速检测提供了新的思路和工具。本研究不仅加深了对纳米材料与DNA吸附机制的基本理解，还为进一步合理设计生物传感器提供了理论支持和实验依据。