《Biosensors and Bioelectronics》：Photo-driven gated dual-mode aptasensor based on CQDs@PCN-224@ZIF-8 and Exo I–HCR cascade amplification for ultrasensitive bisphenol A detection
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摘要双模式生物传感器是一种有效的策略，可用于降低信号模糊性并提高痕量小分子检测的可靠性。然而，将光驱动转导、荧光调节以及核酸级联放大整合到单一传感系统中仍面临挑战。本文开发了一种光驱动的荧光/比色双模式适配体传感器，通过将CQDs@PCN-224@ZIF-8纳米平台与外切核酸酶I
摘要
双模式生物传感器是一种有效的策略，可用于降低信号模糊性并提高痕量小分子检测的可靠性。然而，将光驱动转导、荧光调节以及核酸级联放大整合到单一传感系统中仍面临挑战。本文开发了一种光驱动的荧光/比色双模式适配体传感器，通过将CQDs@PCN-224@ZIF-8纳米平台与外切核酸酶I介导的目标回收及杂交链反应放大相结合，实现了对双酚A的超灵敏检测。CQDs@PCN-224@ZIF-8界面能够实现FAM标记探针的荧光淬灭以及可见光驱动的TMB氧化，而外切核酸酶I–HCR级联反应则可将BPA识别转化为放大的光学信号。该适配体传感器在荧光检测和比色检测模式下的检测限分别达到0.76 pM和3.47 pM。双输出读数机制可相互验证信号，进一步提升BPA检测的可靠性。该传感器具有良好的选择性、稳定性和重复性，经实际应用验证，其在添加了BPA的牛奶、瓶装水和罐装黄桃样品中的检测结果与基于LC–MS/MS的国家标准方法相当。此外，借助智能手机实现的RGB读数功能可进行可视化定量分析，显示出该平台在食品安全领域进行现场BPA监测的巨大潜力。
引言
双酚A是一种典型的酚类内分泌干扰物，被广泛用于制造聚碳酸酯塑料、环氧树脂和聚酯材料，而这些材料多被应用于奶瓶、罐头内衬和瓶盖等食品接触产品中（Han等人，2023；Lei等人，2022；Liu等人，2023）。在加热或长期使用过程中，BPA可能会从这些聚合物材料中渗出到食品和饮用水中，从而带来人体暴露的风险（Jin等人，2023）。越来越多的证据表明，BPA暴露会干扰雌激素相关调控，影响生殖发育，还会增加肥胖和糖尿病等代谢异常的风险（Annalakshmi等人，2022；Wu等人，2023）。鉴于这些健康隐患，各国制定了越来越严格的监管标准。例如，欧盟规定用于人类饮用的水中的BPA含量上限为2.5 μg L-1（Dettori等人，2022）。目前，高效液相色谱法（HPLC）（Du等人，2023）、液相色谱–质谱法（LC–MS）（Gao等人，2025）、气相色谱法（GC）（Yu等人，2024）以及酶联免疫吸附测定法（ELISA）（Li等人，2025）等传统方法均能实现BPA的精准检测。不过，这些方法通常需要昂贵的仪器、复杂的样品前处理流程以及较长的分析时间，因此不太适合用于现场检测和常规筛查。因此，亟需开发一种灵敏度高、操作简单且具备可视化读数功能的BPA检测方法，以实现快速可靠的监测。
光驱动传感技术作为一种极具前景的可视化检测策略，逐渐受到重视，因为它能够将光诱导的光化学反应转化为可测量的光学信号（Huang等人，2024；Ma等人，2025）。在这些方法中，光驱动比色传感可通过有色底物的氧化直接实现信号可视化，具有操作简单、读数直观的优点（He等人，2024、2025；Peng等人，2022；Qian等人，2020）。而荧光检测则因其高灵敏度和快速的信号响应速度，能够弥补比色检测的不足，为检测提供另一种光学读数方式（Sun等人，2025；Tian等人，2025；Wang等人，2023a）。因此，将光驱动比色检测与荧光检测结合到双模式传感系统中，有望同时提升检测的可视化程度和分析的可靠性。要实现这种整合，就需要一种多功能材料平台，既能支持光驱动比色转导，又能实现可控的荧光调节。
卟啉金属有机框架材料，尤其是PCN-224，由于其强大的可见光吸收能力和优异的光动力活性，成为极具潜力的光活性材料（Nejad等人，2024）。PCN-224由Zr6簇和四(4-羧基苯基)卟啉配体构成，在可见光照射下能够高效产生单线态氧（1O2），并被广泛应用于光驱动抗菌系统和光动力疗法研究中（Jiang等人，2022；Jin等人，2021；Wang等人，2023b）。受其光氧化特性的启发，我们试图将PCN-224的应用从传统的光动力领域拓展到3,3′,5,5′-四甲基联苯胺介导的比色传感领域。在该体系中，光产生的1O2可以将无色的TMB氧化为蓝色的氧化产物，从而为BPA的检测提供一种可见光驱动的比色检测途径（Hu等人，2017）。为了进一步提升光捕获效率和能量利用效率，我们引入了碳量子点与PCN-224结合构建复合结构。由于碳量子点具有出色的光捕获和荧光特性，它们可以通过福斯特共振能量转移与卟啉单元发生作用，进而提高1O2的产生效率（Li等人，2018）。同时，我们在CQDs@PCN-224表面包裹了一层pH响应型ZIF-8壳层，作为集DNA调控、荧光淬灭和酸蚀纳米门控功能于一体的结构（Ji等人，2025）。DNA调控功能主要源于ZIF-2对不同DNA结构的构象依赖性吸附作用（Li等人，2023）。由于荧光标记的发夹形探针具有较高的构象灵活性且核碱基区域暴露在外，它们可以被吸附在ZIF-8壳层上，使荧光团靠近CQDs@PCN-224@ZIF-8界面，从而通过福斯特共振能量转移和光诱导电子转移效应实现荧光淬灭（Elgazar等人，2024；Yang等人，2022）。相比之下，长度较长且结构较为刚性的双链DNA由于核碱基暴露较少且空间位阻较大，与ZIF-8的吸附作用较弱，因此荧光不会被淬灭，还能恢复荧光强度。此外，在酸性TMB显色条件下，ZIF-8壳层会被蚀刻，打开纳米门控结构，使得来自CQDs@PCN-224核心的光生成单线态氧能够继续氧化TMB，使其变为蓝色产物。这样一来，CQDs@PCN-224@ZIF-8复合材料便兼具可见光驱动的比色输出功能和可控的荧光响应特性，为荧光/比色双模式BPA检测提供了理想的材料基础。
除了依靠材料实现的双信号转导之外，高效的信号放大对于实现超灵敏的BPA检测也至关重要，尤其是在需要将有限的靶标识别事件转化为放大的光学信号时（Feng等人，2025；Xu等人，2025；Zhou等人，2026）。为此，我们将外切核酸酶I介导的目标回收机制与杂交链反应相结合，构建了级联放大路径。外切核酸酶I能够在不严格依赖序列顺序的情况下，从3′端向5′端切割单链DNA（Lv等人，2017；Wang等人，2024；Zhou等人，2026）。当BPA与适配体结合后，适配体会发生构象变化，从而容易被外切核酸酶I切割，释放出未被修饰的BPA，以便再次被识别，并生成用于后续放大的DNA起始片段。这些起始片段随后会通过足柄介导的链位移反应触发杂交链反应，生成具有多个信号报告位点的长双链DNA聚合物（Chen等人，2025；Sun等人，2024）。值得注意的是，灵活的发夹形探针转化为结构稳定的HCR双链DNA产物的过程，与ZIF-8的构象依赖性界面吸附行为十分匹配，这使得杂交链反应的放大过程可以与荧光调控直接关联起来。这种外切核酸酶I–杂交链反应级联机制，再加上基于MOF的调控界面，共同实现了多级信号放大，从而为灵敏且可靠的荧光/比色双模式BPA检测提供了可能。
本文报道了一种光驱动的门控型荧光/比色双模式适配体传感器，通过将CQDs@PCN-224@ZIF-8介导的光学转导机制与外切核酸酶I–杂交链反应级联放大机制相结合，实现了对BPA的超灵敏检测。在该平台上，碳量子点能够增强PCN-224在可见光作用下的单线态氧生成能力，而ZIF-8壳层则充当多功能界面门控角色，可调控TMB的光氧化反应以及DNA的构象依赖性吸附与荧光淬灭现象。将这种光活性纳米界面与外切核酸酶I辅助的目标回收机制以及杂交链反应相结合，即可实现荧光的放大恢复和比色信号的生成，从而为在复杂食品基质中检测痕量BPA提供了一种经过交叉验证且可靠的检测方法。
章节节选
试剂与仪器
本研究所使用的化学试剂、仪器及寡核苷酸的详细信息详见补充材料S2。所有寡核苷酸均购自上海桑根生物科技有限公司，其序列信息列于表S1中。
材料制备与功能化处理
纳米材料合成、磁珠活化以及预组装DNA复合物固定化的详细步骤可见补充材料S3。
碳量子点增强的单线态氧生成机制及MOF壳层的调控作用
关于碳量子点增强单线态氧生成的详细实验步骤
CQDs@PCN-224@ZIF-8的结构特征与荧光淬灭行为
通过透射电子显微镜、扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱仪以及元素面分析等技术，对所获得的纳米复合材料的形态和结构演变进行了系统表征。如图1A所示，初步制备的碳量子点分布均匀，平均直径为2.16 ± 0.68纳米。在将碳量子点引入PCN-224的合成过程中后，所得的CQDs@PCN-224复合材料呈现出均匀的棒状形态，其平均尺寸为453.06 ±
结论
综上所述，本文通过将CQDs@PCN-224@ZIF-8介导的光学转导机制与外切核酸酶I–杂交链反应级联放大机制相结合，成功开发了一种光驱动的门控型荧光/比色双模式适配体传感器，用于BPA的检测。CQDs@PCN-224@ZIF-8复合材料为荧光淬灭和可见光驱动的TMB氧化提供了集成化的纳米界面，而外切核酸酶I–杂交链反应放大机制则进一步提升了信号的生成强度。该设计实现了灵敏的双模式检测，其在荧光检测和比色检测模式下的检测限分别达到了0.76 pM和3.47 pM
作者贡献说明
何宝山：论文撰写——审阅与编辑工作。薛伟生：论文撰写——初稿编写。谢玲玲：实验研究工作。曹晓宇：实验研究工作。刘耀：实验研究工作。任文杰：实验研究工作。赵文红：实验研究工作。徐一伟：实验研究工作
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢：
本研究得到了以下机构的资金支持：中国国家自然科学基金（项目编号：61301037）、河南省自然科学基金（项目编号：252300423111）、河南工业大学的自主创新计划（项目编号：2021ZKCJ13）、河南省科技研发联合基金（项目编号：225200810066）、河南工业大学“拓新团队”培育项目（项目编号：2024TXD05）以及“双
Weisheng Xue|Baoshan He|Xiaoyu Cao|Lingling Xie|Yao Liu|Wenhong Zhao|Wenjie Ren|Yiwei Xu
河南省郑州市河南工业大学食品科学与技术学院，邮编450001，中国
