基于触发DNA再生策略的反馈电路侧向流试纸条生物传感器用于重金属离子的可视化检测及其逻辑门应用

《Journal of Hazardous Materials》：Lateral flow strip biosensor for visual detection of heavy metal ions based on feedback circuit with trigger DNA regeneration strategy and its logic gate applications

　　开发了一种检测限为10 pM的侧向流动试纸条生物传感器，用于Cr3?的可视化检测。触发DNA再生策略实现了增强的信号放大。利用Cr3?和Cd2?构建了INHIBIT（抑制）和XOR（异或）逻辑门。该逻辑试纸条在重金属离子智能传感领域具有巨大应用前景。**引言**通过模拟硅基计算机设备的二进制计算原理，分子逻辑门能够通过布尔逻辑过程将输入目标转化为确定的输出信号[1]。二进制数字0和1通常用于真值表中通过一系列计算操作（例如AND（与）、OR（或）、INHIBIT（抑制）、XOR（异或）等）对输入和输出信号进行编码和解码[2]。由于DNA在信号识别、信号转导和信号放大方面具有优异的兼容性、可靠的稳定性以及互补杂交特性，因此被广泛用作分子逻辑门的构建材料[3]。近年来，已报道了多种有趣的DNA逻辑门，用于疾病诊断、食品安全和环境监测中的智能生物标志物检测[4]、[5]、[6]、[7]。在环境监测领域，铬由于对环境安全具有严重危害而成为关键监测指标。铬在环境中有两种稳定的氧化态，即三价铬（Cr3?）和六价铬（Cr??）[8]、[9]。国际癌症研究机构将Cr3?和Cr??分别归类为III类和I类致癌物[10]。据报道，Cr3?是地表水中主要的铬污染物，而地下水中主要以Cr??为主[11]。Cr??具有高致癌性，其毒性归因于其还原为Cr3?，进而导致细胞结构DNA损伤[12]。由于Cr3?是遗传毒性和致突变性的根本原因，对其进行检测至关重要[13]。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术是检测Cr3?的传统分析方法[14]。虽然该方法可以获得高精度，但ICP-MS存在成本高昂、样品制备耗时以及设备笨重等问题，限制了现场应用。作为一种替代方案，近年来生物传感器在Cr3?快速检测方面引起了越来越多的关注[15]。多个研究小组报道了使用纳米材料作为识别元件的Cr3?检测器[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。为进一步提高检测选择性，刘研究小组选择了一种对Cr3?具有高结合亲和力的脱氧核酶[21]。以Cr3?-脱氧核酶作为传感元件，研究者们设计了多种精巧的生物传感器，包括荧光法、电化学法和比色法[22]、[23]、[24]。为了便于对环境样品中Cr3?进行快速现场监测，侧向流动试纸条生物传感器可能是一种更为便捷检测平台[25]、[26]。侧向流动检测法是目前应用最广泛的即时检测生物传感器，广泛用于诊断、环境和食品安全领域[27]、[28]。使用金纳米颗粒（Au）作为信号指示剂，试纸条生物传感器的结果可以通过目视观察轻松获得，无需外部仪器[7]、[29]、[30]。然而，提高试纸条生物传感器的灵敏度，特别是在处理复杂样品时，仍然是一个重大挑战[31]。信号放大是提高生物传感器灵敏度的有效方法[32]、[33]、[34]。多个研究小组报道了一些使用蛋白酶和纳米材料作为信号放大工具的有趣生物传感器[35]、[36]。与这些方法相比，DNA组装介导的信号放大具有以下优势：稳定性更好、成本更低、操作更简单且无需复杂的制备过程[37]、[38]、[39]。当使用DNA组装检测非核酸靶标时，挑战在于如何高效地将其转化为核酸产物[40]、[41]、[42]。在本工作中，以Cr3?-脱氧核酶作为识别探针[8]、[21]，发夹DNA作为组装模块，侧向流动试纸条作为检测平台，成功构建了一种高灵敏度的Cr3?生物传感器。反馈回路中Cr3?触发的DNA转化与再生策略赋予了该传感器超灵敏的检测能力。通过肉眼即可轻松识别10 pM的检测限，有利于现场检测微量Cr3?。为实现基于分子逻辑门的重金属离子智能识别，我们以Cr3?和Cd2?作为两个输入开发了INHIBIT（抑制）和XOR（异或）逻辑门。Cd2?是环境监测中另一个重要指标，对人体健康构成严重威胁[43]、[44]。Cr3?和Cd2?的存在和缺失分别对应输入1和0。测试区（TZ）上的红色条带被定义为逻辑操作的输出信号。该逻辑试纸条在资源匮乏环境中对多种重金属离子的智能传感方面展现出巨大潜力。**材料与试剂**DNA探针（表S1，支持信息）购自上海圣工生物技术有限公司。Cr3?、Cd2?及其他金属盐购自上海阿拉丁科技有限公司。平均直径为15 nm的金纳米颗粒，浓度为0.05 mg/mL，购自南京金域纳米科技有限公司。硝酸纤维素膜（Hi-Flow? Plus）购自默克公司。所有其他试剂均为分析纯级别，商品购买。所有溶液**侧向流动试纸条生物传感器的检测机理**图1展示了重金属触发的侧向流动试纸条生物传感器用于Cr3?检测的传感机理。DNA1和DNA2组成Cr3?特异性脱氧核酶，能够识别目标Cr3?。切割反应后，释放的DNA片段（域1?-2?-3?-2?）作为触发DNA（T）启动H1、H2和H3的组装。以域1?作为诱饵，T通过诱饵介导的链置换反应打开H1（1?-2?-3?-2?与1-2-3-2杂交）。在生成的**结论**总之，本研究以Cr3?特异性脱氧核酶作为识别元件，三种发夹DNA作为组装探针，开发了一种Cr3?侧向流动试纸条生物传感器。反馈回路中的触发DNA再生策略可以显著提高Cr3?检测的信号放大效率。该试纸条生物传感器的线性范围为10 pM至100 nM，检测限为10 pM。重金属驱动的试纸条表现出优异的特异性，干扰离子不会**环境意义**铬离子（Cr3?）和镉离子（Cd2?）是两种常见的重金属污染物，在生态环境中广泛分布，对环境安全构成严重威胁。在资源有限条件下对痕量Cr3?和Cd2?进行现场目视检测仍是一个重大挑战。本研究基于具有触发DNA再生策略的反馈回路，开发了一种用于Cr3?和Cd2?目视检测的侧向流动试纸条生物传感器。重金属离子**CRediT作者贡献声明****陈俊华：** 撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，项目管理，资金获取，概念化。**邓怡乐：** 方法学，形式化分析，数据整理。**潘家峰：** 验证，方法学，调查研究，数据整理。**利益冲突声明**作者声明，他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争经济利益或个人关系。**致谢**本工作得到了国家自然科学基金（42377454）和广东省现代农业产业技术体系（2026XTD18）的支持。**研究意义声明**开发铬离子（Cr3?）和镉离子（Cd2?）检测的现场目视方法对于环境保护和监测具有重要意义，因为它可以克服传统ICP-MS方法不适合现场分析的技术局限。在本研究中，我们开发了一种侧向流动试纸条陈俊华 | 邓怡乐 | 潘家峰