一种基于双功能适配体的自组装tb-DNA协同聚合物：稳定性提升及汞(II)检测性能增强

《Microchemical Journal》：A self-assembly tb-DNA coordination polymer based on dual-functional aptamer: Enhanced stability and hg(II) sensing performance

汞离子（Hg(II)）检测对环境和健康至关重要，传统aptamer传感器易受pH影响。本研究设计双功能aptamer（G-富含区敏化 Tb(III) 发光，T-富集区特异性识别Hg(II)），并与Tb(III)-DNA自组装配位聚合物（Tb-DNA CPs）结合，形成具有pH稳定性和高灵敏度的荧光传感器。检测限达3.89 nM，线性范围5-250 μg·L?1，蔬菜样本回收率96.49%-113.40%，RSD 1.98%-4.83%。Tb(III)既作为发光中心又作为结构交联剂，克服了传统aptamer的pH依赖性，为现场快速检测提供新策略。

　　

曹辉|高润|陈琳|黄梓霞|吴秀秀|于金松|徐飞

上海工程技术大学健康科学与工程学院食品快速检测研究中心，中国上海市中工路516号454邮政信箱，200093

摘要

汞(II)是一种广泛存在的环境污染物，具有高毒性和对人类健康的严重不良影响。尽管适配体常被用作汞(II)的识别元件，但其结合性能极易受pH值的影响。在这项研究中，我们设计了一种双功能汞(II)特异性适配体，并基于Tb(III)-DNA自组装配位聚合物（Tb-DNA CPs）开发了一种用于快速检测汞(II)的生物传感器。所设计的适配体中，富含鸟嘌呤（G）的区域作为发光天线配体来增强Tb(III)的发光，而富含胸腺嘧啶（T）的区域则作为汞(II)的识别单元。经过30天的水溶液处理后，Tb-DNA CPs仍保留了90.2%的原始荧光强度，并在广泛的pH范围内（pH 4–11）表现出高稳定性。这种稳定性的提高归因于Tb(III)作为结构交联剂的作用，促进了配位聚合物的组装。该传感器的检测限（LOD）为3.89 nM，线性响应范围为5至250 μg·L^?1。在蔬菜样品中，汞(II)的定量回收率为96.49%至113.40%，相对标准偏差（RSD）为1.98%–4.83%。机制分析表明，Tb-DNA CPs的传感响应主要由光诱导电子转移（PET）和汞(II)诱导的构象变化驱动。这项工作克服了传统基于适配体的传感器的pH依赖性限制，为现场汞(II)监测提供了一个实用的平台。Tb-DNA CP策略也为开发稳定的镧系金属基生物传感器提供了多功能基础。

引言

由于重金属的持久性、生物累积性和不可降解性，它们对生态系统和人类健康构成了严重威胁[1]。在有毒重金属中，汞离子（Hg(II)因其高毒性而受到特别关注，即使在超痕量水平下也是如此。传统的分析方法，如原子吸收光谱（AAS）、原子荧光光谱（AFS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS），由于其高灵敏度、准确性和可靠性，已被广泛用于汞(II)的测定。然而，这些技术通常依赖于昂贵的设备和繁琐的样品预处理过程，这限制了它们在快速、现场分析中的应用。因此，迫切需要开发快速、便携且准确的汞(II)检测分析平台。

荧光、比色和电化学传感器因其高灵敏度、操作简便性和快速响应而成为汞(II)检测的有希望的替代方法[2]、[3]。在这些方法中，富含胸腺嘧啶（T）的寡核苷酸被广泛用作识别元件，因为汞(II)可以选择性地结合到T–T错配位点，形成稳定的T–Hg(II)–T复合物[4]。尽管具有高选择性，但许多基于适配体的传感器仅在狭窄的pH范围内有效，且其目标识别通常高度依赖pH值。例如，Wang等人（2025年）报道了一种无标记的适配体-银纳米粒子生物传感器，该传感器在pH 7.85时表现出最佳性能，但在其他pH值下信号显著减弱[5]。同样，Yuan等人（2023年）通过分子动力学模拟表明，适配体对金属离子的结合对pH值非常敏感，因为在酸性条件下质子化会破坏维持结合构象所需的氢键网络[6]。这些发现表明，适配体的识别主要依赖于对质子活性高度敏感的非共价相互作用，从而限制了其在复杂样品基质中的实际应用[7]。

为了提高基于适配体的传感器的稳定性，我们开发了一种基于Tb(III)-DNA自组装配位聚合物（Tb-DNA CPs）的新型荧光传感平台，该平台利用了DNA核苷酸和铽离子之间的天线效应[8]、[9]、[10]。这一策略的主要挑战在于，传统的汞(II)结合适配体通常富含胸腺嘧啶，而胸腺嘧啶对Tb(III)发光的增敏效率相对较低。因此，我们设计了一种双功能适配体，能够同时实现高度特异性的汞(II)识别和高效的Tb(III)荧光增敏。在这个序列中，富含T的区域通过T–Hg(II)–T配位作为汞(II)的选择性识别位点，而富含G的区域则作为有效的天线配体来促进配体到金属的能量转移。与传统的基于适配体的荧光传感器相比，这种策略将分子识别和信号转导整合到了单一的核酸序列中，从而简化了探针的设计。

随后，这种双功能适配体通过一种简单的一锅法与Tb(III)组装形成了Tb–DNA CP纳米球[11]、[12]。在这种组装过程中，Tb(III)不仅作为长寿命的发光中心以减少背景干扰，还同时作为配位交联剂，将DNA链连接成密集互联的网络。与之前报道的无定形、线性或片状DNA基配位结构相比，球形纳米结构表现出更好的结构稳定性[13]。这种稳定性可能与Tb(III)的高配位数和灵活的配位几何结构有关，以及DNA核苷酸和磷酸骨架提供的多个配位位点，这些都有助于形成密集交联的超分子框架[14]。此外，Tb(III)诱导的组装可能促进DNA链之间的π–π堆叠相互作用，进一步提高了结构的紧凑性和完整性[15]。这种密集交联的网络提高了环境耐受性、可访问的识别位点以及在复杂样品基质中的抗非特异性干扰能力[20]，这对于实际的汞(II)分析非常有利。

在这项工作中，我们报道了一种基于双功能适配体的Tb(III)-DNA配位聚合物。铽介导的交联增强了结构和荧光稳定性，为敏感、选择性和耐基质干扰的汞(II)检测提供了一个有用的平台。

材料

五水合硝酸铽[Tb(NO?)?·5H?O，99.9%]购自Sigma-Aldrich（美国）。汞(II)、钾(I)、镁(II)、锌(II)、砷(III)、镉(II)和锡(II)的标准溶液由Aladdin生化科技有限公司（上海，中国）提供。所有寡核苷酸序列均由Sangon Biotech有限公司（上海，中国）合成，其序列列于表1中。所有化学品均为分析级或更高级别。

Tb-DNA CPs的合成

Tb-DNA CPs是通过一锅法制备的

双功能汞(II)特异性适配体的筛选

构建Tb-DNA CPs的一个主要挑战是，传统的汞(II)结合适配体通常是富含胸腺嘧啶的序列，而胸腺嘧啶本身对Tb(III)发光的增敏效果较差[16]，这限制了其在基于镧系金属的荧光传感中的应用。为了克服这一限制，我们通过在汞(II)响应的富含T的序列中引入铽(III)增敏核苷酸，设计了一种双功能适配体，从而实现了目标识别和信号生成的双重功能

结论

总之，通过Tb(III)和双功能富含G/T的单链DNA的自组装，开发了一种简单、可靠且高灵敏度的荧光生物传感器，用于痕量汞(II)的检测。所提出的传感系统允许快速分析，无需复杂的设备或专业人员。得益于Tb(III)同时作为发光中心和结构交联剂的双重作用，所得到的Tb-DNA CPs表现出优异的稳定性，这是至关重要的

CRediT作者贡献声明

曹辉：撰写——原始草稿、资源收集、实验研究。高润：验证、方法学、实验研究、数据管理。陈琳：数据管理。黄梓霞：验证。吴秀秀：数据管理。于金松：软件开发。徐飞：项目监督、资金获取、概念构思。

未引用参考文献

[31]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

该项目得到了上海自然科学基金资助项目（编号：23ZR1443400）和国家自然科学基金（编号：32472442）的支持。