《Journal of Hazardous Materials》：Tunable Pore Architectures in Programmable DNA Hydrogels for Ultrasensitive Magnetic Relaxation Sensing of Pb2? over a Wide Dynamic Range
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•开发了一种基于可编程DNA水凝胶的MRS生物传感器。•DNA编程将DNA水凝胶的孔径从0.72调控至4.28 μm。•孔径结构调控了ADC和磁弛豫响应。•优化后的生物传感器对Pb2?实现了8.4 pg mL?1的检出限。•该生物传感器实现了0.01–100 ng mL?1四
• 开发了一种基于可编程DNA水凝胶的MRS生物传感器。
• DNA编程将DNA水凝胶的孔径从0.72调控至4.28 μm。
• 孔径结构调控了ADC和磁弛豫响应。
• 优化后的生物传感器对Pb2?实现了8.4 pg mL?1的检出限。
• 该生物传感器实现了0.01–100 ng mL?1四个数量级的线性范围。
引言 磁弛豫开关（MRS）生物传感器是一种基于低场核磁共振（LF-NMR）的传感方法。凭借其优异的分析性能——如快速、高灵敏度、高信噪比以及简单的分析流程——已被广泛应用于食品安全、疾病诊断和环境监测等领域[1]、[2]、[3]、[4]。MRS生物传感器依赖于对应于纵向弛豫时间（T?）或横向弛豫时间（T?）的信号测量，这些信号源于水质子的自旋退相位[5]、[6]，因此不受样品浑浊度和复杂基质成分的影响。传统的基于磁性纳米颗粒（MNP）的MRS主要依赖于磁性纳米颗粒的聚集和分散来诱导周围水质子的信号响应，但因其非特异性聚集和分散而存在不稳定性。相比之下，近年来开发的水凝胶本身作为背景信号源的MRS传感器主要依赖于凝胶骨架内水分子的迁移性来实现信号转导[7]、[8]、[9]，从而表现出更优的稳定性；此类凝胶骨架大多由有机高分子构建，如海藻酸钠[10]、[11]。例如，我们课题组开发了一种pH响应性溶胀-收缩凝胶-MRS传感器，用于检测大米中的Cd2?[12]、[13]。通过pH调控水凝胶的溶胀程度，水凝胶网络的孔径变化调节水分子的磁弛豫信号。这类体积相变水凝胶在受到微小环境刺激时——如温度、pH、离子强度和光照——会发生溶胀-收缩转变。然而，由于体积变化主要发生在相变点附近，且水凝胶的孔径范围有限，从而限制了检测动态范围[14]。此外，Chen等人开发了一种基于点击化学衍生溶胶-凝胶相变的MRS-CRISPR生物传感器[11]、[15]。当触发溶胶-凝胶转变时，大量"自由"水转化为"束缚"水，导致T?降低。然而，所得凝胶的孔径不可控，且具有固定的网络结构，从而限制了检测灵敏度[16]。这些发现表明，虽然这些基于水凝胶的MRS传感器表现出高稳定性，并展现出检测食源性危害的巨大潜力，但其检测动态范围和灵敏度仍受到窄范围间接响应和不可控孔径的限制。
近年来，DNA水凝胶因其优异的生物相容性、稳定性和力学性能而受到广泛关注[17]。DNA网络固有的亲水性，由氢键和静电相互作用驱动，赋予这些水凝胶强大的保水能力[18]、[19]。鉴于MRS依赖于水质子的活性，DNA水凝胶可作为构建传感器的理想支架。值得注意的是，DNA链既作为纯DNA水凝胶的主干，也作为交联元件，提供了高度的可编程性；这使得通过精确调控孔径来增强基于水凝胶的MRS传感器性能成为可能[20]、[21]。恒温核酸扩增能够在恒温条件下从环状模板持续产生超长单链DNA（ssDNA）产物[22]、[23]，为交联反应提供了丰富的序列；因此，它为构建具有可编程网络结构的DNA水凝胶提供了强大的分子策略。此外，DNAzyme能够特异性识别目标离子并触发下游生化反应，是小分子靶标常用的信号放大机制[24]、[25]。靶标诱导DNAzyme激活，启动恒温核酸扩增，产生超长ssDNA链。随后，这些产物与预先设计的DNA交联剂杂交，组装成三维网络，从而驱动溶胶-凝胶转变。所得DNA水凝胶的网络连通性和孔结构可以通过合理设计DNA交联位点的序列和间距进行预调控[26]。总之，这种具有可调孔径的溶胶-凝胶型DNA水凝胶可以通过调节水分子迁移性来增强弛豫响应，从而提供了一种可行的策略来降低检测限并将线性测量范围扩展到低浓度区域。
铅离子（Pb2?）是最常见的重金属污染物之一，在自然环境中表现出极强的抗降解性，导致其在土壤和水中积累[27]、[28]。通过食物链，这些离子可以进入人体并在肠道、肝脏和肾脏等重要器官中蓄积[29]。认识到这一危害，监管机构建立了严格的最高允许限值：世界卫生组织将饮用水中Pb2?的指南值设定为10 ng/mL，而中国国家标准（GB 2762-2022）规定大米中的限值为200 ng/g。环境受污染的水和食品样品中Pb2?浓度通常在亚ng/mL到数百ng/mL之间，具体取决于污染严重程度[30]、[31]。因此，开发具有超宽动态范围、高灵敏度和高选择性的微量Pb2?测定方法具有重要的实际意义。
本研究构建了基于具有可调三维孔结构的可编程溶胶-凝胶型DNA水凝胶网络的MRS生物传感器（MRS-DNA水凝胶生物传感器），用于Pb2?的高灵敏度和超宽动态范围检测。该MRS-DNA水凝胶生物传感器基于Pb2?的特异性识别和DNAzyme，触发恒温核酸扩增以生成超长ssDNA作为水凝胶骨架。我们制备了三种不同孔径的DNA水凝胶；冷冻扫描电镜（Cryo-SEM）显示孔径分别为0.72、1.12和4.28 μm。随着孔径增大，表观扩散系数（ADC）从2.03 × 10?3降至1.65 × 10?3 mm2/s，而横向弛豫时间变化量（ΔT?）则成比例增加。利用这种结构可编程性，我们系统地建立了孔径、ADC和ΔT?之间的相关性，阐明了孔径结构如何调控水扩散和磁弛豫响应。基于此相关性，筛选出最优DNA序列组合，构建了MRS-DNA水凝胶生物传感器，该传感器实现了在宽广浓度范围内的超灵敏检测，为实际应用分析展现了巨大前景。
章节摘要 材料 表S1列出了所有合成的DNA序列（纯化方法：HPLC）。DNA序列由上海生工生物科技股份有限公司合成并纯化。phi29 DNA聚合酶（5 kU）购自上海碧云天生物技术有限公司。T4 DNA连接酶、脱氧核苷三磷酸（dNTPs，10 mM）、1×TE缓冲液（10 mM氯化钠；1 mM EDTA，pH = 7.8-8.2）、琼脂糖凝胶、20×PBS缓冲液和4S Red Plus核酸染料（10,000×水溶液）购自
MRS-DNA水凝胶生物传感器的传感原理 本研究构建了一种MRS-DNA水凝胶生物传感器，用于Pb2?的宽范围和超灵敏检测（图1）。当Pb2?被识别后，DNAzyme被激活，特异性切割底物链，释放引物，启动两条超长DNA链的组装。一个合理设计的连接链通过互补碱基配对在预定位点交联这些链，生成目标水凝胶（图1A和1B）。通过将水凝胶网络概念化为一个
结论 本研究通过可编程设计策略，合理构建了具有动态可调孔径（0.72–4.28 μm）的溶胶-凝胶型DNA水凝胶。机理研究初步揭示了水凝胶孔结构与磁弛豫行为之间存在强相关性。冷冻扫描电镜显示，具有更大交联间距的水凝胶中孔网络更为扩张，而水扩散分析表明水分子迁移受限是增强的关键驱动因素
生成式AI和AI辅助技术在稿件准备过程中的声明 对于图形摘要，我们使用了AI工具来优化插图，以展示孔内水扩散的过程；然而，手稿中的其他图表均未使用任何AI技术。
CRediT作者贡献声明 贾培： 验证、方法学。何佳卓： 撰写——原稿、数据管理。徐立光： 可视化、软件。邢可雨： 调查、数据管理。程韵辉： 监督、方法学。许舟： 撰写——审阅与编辑、监督、调查、资金获取、正式分析、概念构思。姚立： 撰写——审阅与编辑、监督、调查、资金获取、正式分析、概念构思。余少义： 撰写——原稿、正式
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报告的工作。
致谢 本研究由国家重点研发计划项目（2023YFF1105101，2022YFF1102900）、湖南省自然科学基金（2025JJ60131，2025JJ60155，2024JJ6021）和中国国家自然科学基金（32471430）资助。作者感谢实验家实验室（
www.shiyanjia.com) 提供冷冻扫描电镜方面的宝贵协助）。
胡雨蝶|余少义|何佳卓|贾培|邢可雨|徐立光|程韵辉|姚立|许舟
