《Biosensors and Bioelectronics》：Heterolinker MOFs synergized with entropy-driven DNA amplification for precision dual-mode sensing of Microcystin-LR
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自验证双模式传感平台通过整合光电化学（PEC）与荧光（FL）信号，实现了对蓝藻毒素Microcystin-LR的高灵敏度检测（PEC检测限3.2×10?? ng/mL，FL检测限4.7×10?? ng/mL）。核心创新在于采用1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷（Dabco）作为异质连接器，将二维Zn-TCBPE层转化为三维Zn-TCBPE-Dabco框架，增强电荷分离效率。同时通过熵驱动的DNA扩增电路（EDA）构建Y形DNA纳米结构，实现MOF单元的精准组装，建立协同信号放大机制，并利用正交信号自验证消除假阳性/假阴性。
孙亚伟|李亚梅|茹壮壮|冷东泉|耿浩|吴婷婷|杜宇|刘书源|王珊|刘磊|秦伟
山东省高校界面反应与传感分析重点实验室，济南大学化学与化学工程学院，绿色化学制造与精准检测协同创新中心，中国山东济南250022
摘要
为克服环境毒素单模式检测中高误报风险，开发了一种集成光电化学（PEC）和荧光（FL）信号的自验证双模式生物传感平台，用于超灵敏检测微囊藻毒素-LR（MC-LR）。该传感器的核心创新在于一种异质连接器工程化的金属有机框架（MOF），其中引入1,4-二氮杂[2.2.2]辛烷（Dabco）将二维的Zn-四（4-羧基苯基）乙烯（Zn-TCBPE）层转化为稳定的三维Zn-TCBPE-Dabco结构。这种结构转变显著增强了电荷分离，为双信号生成创造了理想的条件。为了实现精确的生物界面组装，采用了熵驱动的DNA扩增电路，在CdS修饰的电极上原位构建Y形DNA纳米结构，从而对MOF单元进行层次化排列，建立了级联的能量对齐。这种设计实现了定向电子流动，协同增强了PEC响应，同时保持了稳定的FL输出。该生物传感器具有出色的灵敏度，检测限分别为3.2×10^-6 ng/mL（PEC）和4.7×10^-6 ng/mL（FL）。通过利用两种信号的正交性质，该平台提供了内在的相互验证，有效消除了误报/漏报，为复杂水环境中的高保真监测提供了可靠的工具。
引言
微囊藻毒素-LR（MC-LR）由微囊藻和鱼腥藻等蓝藻的无控制增殖产生，已成为对全球水生生态系统普遍且持续的威胁（Yi等人，2019年）。长期暴露于MC-LR的隐秘性质会导致严重的生理破坏，引发肝毒性、肾毒性和神经毒性级联反应，并显著增加肿瘤发生的风险（Gu等人，2022年；Svir?ev等人，2010年；Wang等人，2019年）。传统的单模式分析技术依赖于荧光（FL）或电化学等单一转导通道，由于缺乏内部参考点而受到固有限制（Dai等人，2025a）。由于缺乏交叉验证，这些系统难以在复杂的环境基质中区分真实信号和背景干扰（Wang等人，2023a，Wang等人，2023b；Xu等人，2024a）。因此，这种对单一信号输出的依赖显著增加了误报或漏报的风险，可能导致实际样品中毒素的定量误差（Dai等人，2025a；Li等人，2020年）。这些脆弱性在需要高精度和快速筛查的现场分析场景中尤其突出（Ji等人，2026年）。为了解决这些关键限制，开发具有内在自验证能力的双模式传感平台已成为确保稳健和高保真分析性能的重要研究方向（Pan等人，2025年；Wang等人，2025a；Zhao等人，2023a）。
在各种双模式策略中，光电化学（PEC）生物传感器因其出色的灵敏度和易于微型化而受到广泛关注（Guo和Liu，2025年；Ma等人，2024年；Zhang和Liu，2024年）。例如，Wei等人开发了一种使用NiO纳米阵列作为光活性底物的PEC生物传感器，与DNA探针结合用于MC-LR检测，报告的检测限（LOD）为1.7 pM（Xu等人，2024a）。在另一项研究中，Wang等人基于BiOBr纳米片/N掺杂石墨烯p-n异质结构建了一种PEC适配体传感器，实现了从0.1 pM到100 nM的宽线性范围内的灵敏MC-LR检测（Wang等人，2016年）。另一方面，FL检测提供了互补的优势，包括高空间分辨率、快速信号采集和非破坏性实时可视化（Du等人，2025年；Shen等人，2021年）。通过策略性地将PEC与正交的FL通道结合，可以建立强大的“相互认证”机制（Chen等人，2025a；Dai等人，2025a）。这种双模式架构结合了电化学转导的定量精度和荧光的高对比度光学读出，有效地消除了误报，并确保了即使在复杂和干扰的水环境中也能保持诊断的准确性（Han等人，2023年；Li等人，2020年）。
为了充分发挥双模式传感的潜力，必须克服传统PEC材料的固有局限性，如电子转移缓慢和电荷重组迅速（Hu等人，2021年；Sun等人，2022年；Wu等人，2023a；Wu等人，2023b）。最初选择Zn-四（4-羧基苯基）乙烯（Zn-TCBPE）作为核心光活性组分，因其出色的光捕获能力（Wang等人，2023a；Wang等人，2023b）。然而，其原始的二维（2D）层形式容易发生密集的π-π堆叠，这显著限制了分子扩散并加速了电荷重组（Zhang等人，2021b）。为了打破这一结构瓶颈，引入了1,4-二氮杂[2.2.2]辛烷（Dabco）作为功能性异质连接器（Henke和Fischer，2012年）。作为刚性支柱，Dabco与Zn中心协调，将2D H4TCBPE层分离。这推动了向三维多孔框架（Zn-TCBPE-Dabco）的转变。这种结构变化创建了一个网络，与简单的2D堆叠相比，促进了更有效的电子转移。通过将这种3D架构与CdS修饰的基底结合，建立了一个无缝的信号通路，其中MOF单元既充当放大的光响应天线，又充当稳定的发光体。Dabco与Zn中心协调，将2D H4TCBPE层柱状排列成三维多孔框架（Zn-TCBPE-Dabco）（Ma等人，2024年；Sahin和Atun，2017年）。
尽管已有报道将MOFs与CdS结合的双模式传感器，但大多数传统设计依赖于破坏性信号竞争——例如，使用绝缘MOFs故意抑制PEC信号以产生二次荧光输出。为了超越这一范式，我们将异质连接器MOF与无酶熵驱动的DNA扩增（EDA）电路协同结合（Shen等人，2021年；Wan等人，2021年；Ye等人，2024年）。与竞争系统不同，我们合理设计的架构建立了不间断的三元级联能量对齐，避免了电极淬火，加速了电解质扩散，并促进了高效的“下坡”电子流动。这导致两种检测模式的统一、协同的“信号开启/信号开启”放大。在这种设计中，单个MC-LR目标触发了一个等温熵驱动的链位移循环，无需热循环即可生成高密度输出链。然后，Y形DNA纳米结构作为可编程支架，精确组织界面组件：电极上的羧基化CdS纳米颗粒与捕获链（H0）结合；目标结合后，EDA产物与H0杂交，启动两个信号链S1（预先标记有Zn-TCBPE）和S2（与Zn-TCBPE-Dabco结合）的原位组装。
总之，这项工作通过异质连接器工程化的MOFs和可编程DNA纳米结构的协同整合，提出了一种高性能的PEC/FL双模式平台用于MC-LR检测。如图1A所示，MC-LR的识别激活了一个无酶EDA电路，驱动在CdS修饰的电极上组装Y形DNA纳米结构。该支架精确地共定位了Zn-TCBPE和Zn-TCBPE-Dabco MOFs，建立了三元级联能量对齐，促进了高效的“下坡”电子转移，从而增强了PEC信号，同时提供了来自MOF发色团的独立FL读出。结果是一对正交的、协同的信号，提供了内置的相互验证，实现了可靠的环境监测所需的高保真度（Chen等人，2025a；Du等人，2025）
材料、仪器和DNA预处理
有关仪器和试剂的详细信息见补充材料S1和S2。CdS、Zn-TCBPE和Zn-TCBPE-Dabco的合成方法基于文献报告，并进行了少量修改，详细信息见补充材料S3。此外，所有寡核苷酸都经过了热退火处理，以确保热力学稳定性；涉及顺序步骤的DNA环化具体方法见
Zn-TCBPE和Zn-TCBPE-Dabco的特性
图1A示意性地展示了本研究中使用的MOF架构的合成路径。最初，主要的光活性配体H4TCBPE与Zn2+中心结合形成典型的2D框架Zn-TCBPE。虽然H4TCBPE具有固有的光捕获能力，但由此产生的2D架构受到密集π-π堆叠的限制，这阻碍了载流子的移动性（He和Kitagawa，2011年）。为了克服这一结构限制，采用了异质连接器策略
结论
总之，这项工作提出了一种超灵敏检测MC-LR的新策略，基于基于Zn的MOFs的结构演变和熵驱动的DNA信号放大。核心创新在于异质连接器MOF架构的“结构锁定”效应，它优化了光捕获和电荷分离效率。通过可编程组装Y形DNA支架，我们实现了多组分的精确共固定
CRediT作者贡献声明
孙亚伟：概念构思、数据整理、撰写——初稿。李亚梅：资金获取、撰写——审阅与编辑。茹壮壮：方法学、验证。冷东泉：概念构思、数据整理、可视化。耿浩：研究、方法学。吴婷婷：验证、撰写——审阅与编辑。杜宇：资金获取、软件。刘书源：资源、监督。王珊：研究、方法学。刘磊：资金获取、方法学、撰写——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：22406063、22574063、22574062、22274062）、山东省自然科学基金 - 一般项目（编号：ZR2025MS201）、济南大学优秀博士项目（XBS2414）、山东省科技中小企业创新能力提升项目（2025TSGCCZZB0987）、云南省科技计划项目（202405AF140007）的支持。作者表示感谢
