基于DNA酶行走者调控的界面反应速率策略的超灵敏均相电化学发光生物传感器，用于一步定量铜离子

《Food Chemistry》：Ultrasensitive homogeneous electrochemiluminescence biosensor based on DNAzyme walker-regulated interface reaction rates strategy for one-step quantification of copper ions

高效灵敏的铜离子检测方法及纳米传感器研究

　　在现代科学研究中，痕量重金属离子的检测技术一直是一个备受关注的领域。特别是在复杂的环境和生物样本中，如何实现高效、准确、便捷的检测手段，是当前分析化学和生物传感研究的重点方向。铜离子（Cu2?）作为人体代谢过程中不可或缺的微量元素，其含量在一定范围内对维持正常的生理功能至关重要。然而，当铜离子浓度过高时，会对人体内的氧化还原反应产生不利影响，进而导致肝肾损伤以及神经退行性疾病的发生。因此，开发一种能够精准检测Cu2?浓度的生物传感器，不仅有助于医学诊断，也为环境监测和食品安全提供了重要的技术支持。

目前，已有多种检测Cu2?的方法被广泛应用，例如原子吸收光谱法、原子荧光光谱法以及电感耦合等离子体质谱法等。这些技术虽然具有较高的灵敏度和可靠性，但其设备昂贵、操作复杂、维护成本高，限制了其在实际应用中的普及。为了解决这些问题，研究者们不断探索新的检测策略，尤其是在生物传感领域，发展了多种基于荧光、电化学以及电化学发光（ECL）的方法。其中，ECL技术因其低背景噪声、高灵敏度和良好的选择性，成为近年来备受关注的检测手段之一。ECL技术的核心原理是通过电化学反应激发发光物质，从而实现对目标离子的检测。

然而，传统的ECL方法通常需要对电极表面进行复杂的修饰，这不仅增加了实验步骤，还可能引入人为误差。此外，由于电极表面的反应区域有限，传统的ECL检测方法在重复性和稳定性方面存在一定的挑战。因此，研究者们开始关注一种更加简便、高效的检测策略——均相ECL方法。均相ECL方法的优势在于无需对电极进行固定修饰，所有的反应过程均在均相溶液中完成，从而避免了复杂的电极表面处理步骤。这种方法的实现依赖于目标离子对ECL纳米探针表面性质的调控，例如通过改变表面电荷和空间位阻来影响纳米探针与电极及共反应物之间的反应速率。

基于此，本文提出了一种新型的均相ECL生物传感器，该传感器通过DNAzyme walker介导的界面反应速率调控策略，实现了对Cu2?离子的高灵敏度检测。DNAzyme是一种具有催化活性的核酸序列，能够被特定的金属离子激活，从而对互补的底物序列进行切割。通过合理设计DNAzyme的结构和功能，可以实现对目标离子的高效识别和信号放大。本文中的ECL纳米探针由两种关键成分构成：一种是负载了Ru(bpy)?2?的硅纳米颗粒，另一种是Cu2?激活的DNAzyme及其底物序列。通过特定的化学修饰，使得这些成分能够高效地结合在一起，形成一个稳定的纳米探针系统。

在无Cu2?存在的情况下，纳米探针表面的负电荷和空间位阻会显著抑制Ru(bpy)?2?与电极和共反应物之间的反应，从而导致ECL信号的减弱。当Cu2?存在时，DNAzyme walker会被激活，通过循环切割底物序列，逐步减少纳米探针表面的负电荷和空间位阻，从而增强Ru(bpy)?2?与电极及共反应物之间的反应效率，实现ECL信号的放大。这一过程不仅提高了检测的灵敏度，还简化了检测流程，使得均相ECL方法在复杂样品中的应用更加可行。

为了验证该方法的有效性，研究人员对纳米探针进行了系统的表征和测试。通过透射电子显微镜（TEM）观察到，Ru@SiO?-NPs、Ru@SiO?-NH?-NPs以及Ru@SiO?-DS-NPs均呈现出均匀的球形结构，其中Ru@SiO?-DS-NPs的平均粒径约为60纳米，比Ru@SiO?-NPs（约50纳米）更大，这表明DNA序列和APTES的修饰成功地改变了纳米颗粒的表面性质。此外，X射线元素分析进一步确认了Ru(bpy)?2?在SiO?纳米颗粒中的有效掺杂，证明了纳米探针的结构和功能的完整性。

在实际应用中，该均相ECL生物传感器被用于检测复杂样品中的Cu2?离子，取得了令人满意的检测结果。其检测范围从0.1纳摩尔到10毫摩尔，检测限低至0.025纳摩尔，表明该方法具有极高的灵敏度。同时，该方法的简便性和稳定性使其在实际检测中具有良好的应用前景。与传统的异相ECL方法相比，均相ECL方法不仅减少了实验步骤，还避免了电极表面处理带来的不确定性，从而提高了检测的准确性和可重复性。

在实际应用中，该均相ECL生物传感器的检测过程主要依赖于目标离子对纳米探针表面性质的调控。当Cu2?离子存在时，DNAzyme walker会被激活，从而对底物序列进行循环切割，逐步释放出原本被抑制的ECL信号。这一过程不仅提高了检测的灵敏度，还增强了信号的稳定性，使得检测结果更加可靠。此外，由于该方法无需对电极进行复杂的修饰，因此在实际操作中更加简便，减少了人为误差和实验时间。

为了进一步优化该方法的性能，研究人员还对实验条件进行了系统的研究。例如，通过调节反应时间、温度以及共反应物的浓度，可以实现对ECL信号的精确控制。同时，对纳米探针的表面修饰也进行了优化，以确保其在均相溶液中的稳定性和高效性。这些优化措施不仅提高了检测的准确性，还增强了方法的适用性，使其能够在更广泛的样品类型中进行检测。

此外，该方法在实际应用中的可行性还得到了验证。研究人员使用该均相ECL生物传感器对实际样品中的Cu2?离子进行了检测，结果表明该方法能够准确、快速地识别目标离子，并且具有良好的检测性能。这些结果不仅验证了该方法的科学性和实用性，也为未来在复杂样品中的重金属离子检测提供了新的思路和方法。

综上所述，本文提出了一种基于DNAzyme walker介导的界面反应速率调控策略的均相ECL生物传感器，用于Cu2?离子的高灵敏度检测。该方法通过合理设计纳米探针的结构和功能，实现了对目标离子的高效识别和信号放大，同时避免了传统方法中复杂的电极修饰步骤。该传感器在实际应用中表现出良好的性能，为重金属离子检测提供了一种简便、高效的解决方案。未来，该方法有望在更广泛的领域中得到应用，包括环境监测、食品安全以及医学诊断等。