基于滤纸湿式检测方法，利用可编程DNA间隔物引导热点实现氯霉素双模式检测

《Analytica Chimica Acta》：Filter Paper-Based Wet Assay with Programmable DNA Spacer-Guided Hotspots for Dual-Mode Detection of Chloramphenicol

　　**摘要****背景**在复杂食品基质中对抗生素残留进行可靠分析仍然充满挑战，主要源于严重的基质干扰和信号重现性不足。传统干相纸基传感器常受咖啡环效应影响，导致信号输出不均匀，从而损害检测灵敏度和分析可靠性。因此，开发具有增强灵敏度、分析可靠性和便携式信号读取功能的传感平台，对于实际食品分析仍具有迫切需求。**结果**本文构建了一种基于疏水银溅射滤纸的双模态SERS/比色传感平台，采用自验证信号读取策略，用于氯霉素（CAP）的可靠检测。创新的湿相组装界面有效抑制了咖啡环效应，提高了信号的均匀性和重现性。在目标识别后，杂交链反应（HCR）介导的可编程DNA间隔序列调控了聚腺嘌呤修饰的金纳米粒子（AuNPs^pA^）@4-ATP的平均粒子间距，实现了均匀且高密度SERS热点的可编程形成。配合便携式拉曼光谱仪，SERS模式在0.5–1000 ng/mL范围内实现了超灵敏的CAP检测，检测限（LOD）为6 pg/mL。同时，未组装的AuNPs^pA^@4-ATP作为纳米酶催化TMB氧化，实现了基于智能手机的比色检测（10–1000 ng/mL，LOD为0.7 ng/mL）。重要的是，这两种互补模式相互交叉验证，显著提高了检测可靠性。该平台在水龙头水、牛奶和蜂蜜加标样本中均得到成功验证，充分彰显了其在便携式食品安全分析中的强大潜力。**意义**本研究提出了一种湿相等离子体纸基双模态传感策略，结合超灵敏检测与内置信号读取验证，提供了可靠且便携的食品安全监测平台。**引言**氯霉素（CAP）是一种氨基醇类抗生素，能够有效抑制细菌蛋白质合成[1], [2]。然而，由于其对人体产生的严重副作用，特别是神经毒性和造血系统损伤，许多国家已禁止其在食品动物中的使用，并设定了极低的残留限量（0.08–0.4 μg/kg）[3]。尽管如此，由于缺乏可负担的替代品，CAP仍被非法使用，导致其在食品、土壤和水体中残留，加剧了抗生素耐药性，并对公共卫生构成严重威胁[4]。在环境基质和食品基质中监测此类超微量污染物仍是一项重大挑战，因为基质复杂且法规要求严格。传统的实验室抗生素残留检测方法需要精密仪器和专业操作，限制了其灵活的现场部署，并阻碍了早期干预[5], [6]。因此，开发便携式和高灵敏度的抗生素筛查方法，对于生态安全和环境监测至关重要[7]。表面增强拉曼散射（SERS）通过局域电磁场增强来放大拉曼信号，能够实现目标分子的高灵敏检测[8], [9], [10]。手持式拉曼光谱仪的近期发展进一步扩大了SERS的应用范围，提供了便携性、简便操作、快速分析和最少样品制备等优点[11]。在各种基底材料中，柔性纸因其成本低廉、易于加工和优异的液体吸收能力，已成为构建SERS平台的理想载体[12]。传统的纸基SERS检测方法通常采用滴干法，即将分析物滴在基底上干燥，然后通过特征拉曼峰进行鉴定[13]。然而，干燥过程通常导致目标分子和纳米粒子的不可控扩散，产生咖啡环效应，形成不均匀的SERS基底。这种现象不仅降低了分析物在等离子体热点区域的有效富集，还促进了非特异性吸附，两者均阻碍了检测灵敏度和重现性的进一步提升[14]。尽管已探索了毛细管驱动流动和激光诱导热泳等策略来增强目标分子和纳米粒子在热点区域的富集[15]，但热点分布可控性差和非特异性吸附等问题仍然具有挑战性。DNA纳米技术提供了一种精确控制SERS热点的有力方法，利用Watson-Crick碱基配对的程序化特性，以单核苷酸精度排列金属纳米粒子[16], [17]。Lohmueller等人使用DNA折纸纳米管以平均8 nm的间隙将两个金纳米棒头对头排列，创造了可及的热点，实现了单蛋白SERS检测[18]。Chao等人利用DNA折纸三角形以纳米级精度、形状可控的间隙组装Au纳米立方体以控制等离子体热点[19]。尽管取得了这些进展，基于DNA折纸的等离子体结构能够精确控制纳米粒子位置、取向和纳米间隙几何形状[17], [18], [19]，但通常依赖于预定义的有限尺寸支架和多个位置特异性staple链[20], [21]。扩大支架尺寸或增加额外的纳米粒子结合位点，将增加序列设计和组装的复杂性[22], [23]。传统的核酸扩增策略，如聚合酶链反应（PCR）、滚环扩增（RCA）和催化发夹组装（CHA），虽然能增强信号强度，但对等离子体纳米粒子的空间组织控制有限[24], [25], [26]。相比之下，目标触发的杂交链反应（HCR）可产生包含重复结构域的延伸DNA双链组装体，这些结构域可作为多个纳米粒子锚定位点，从而将目标识别直接与可扩展的纳米粒子组装相结合[27], [28]。尽管HCR此前主要被引入SERS检测中用于信号放大或纳米粒子聚集[29], [30], [31]，但作为可程序间隔序列来定量调控粒子间纳米间隙和SERS热点的形成仍未被充分探索。在此，我们设计了一个多功能滤纸基传感平台，用于便携式和灵敏的CAP检测（方案1）。为克服传统纸基SERS检测的局限性，滤纸通过全氟辛基三氯硅烷（FOS）修饰实现疏水化，随后溅射银纳米粒子（AgNPs）。这种双重处理创建了一个稳定的等离子体活性表面，既抑制了液滴扩散和咖啡环效应，又减少了样品干燥过程中的非特异性吸附，从而提高了信号的均匀性和重现性。CAP的识别触发HCR反应，生成可编程DNA支架，调控4-氨基苯硫醇标记的聚腺嘌呤稳定金纳米粒子（AuNPs^pA^@4-ATP）的空间排列，实现可控的粒子间间隙（2–10 nm）及密集均匀的SERS热点，用于灵敏的SERS分析。此外，未结合的AuNPs^pA^@4-ATP从疏水纸上分离出来并表现出类过氧化物酶活性，催化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）氧化，颜色由无色转变为蓝色，从而提供互补的比色输出。这种双模态设计在信号转导层面实现了自验证信号读取，提高了分析可靠性，并通过手持式拉曼光谱仪进行SERS检测以及基于智能手机的比色检测，实现了便携式食品安全分析。**章节摘要****滤纸基底的制备**为获得均匀的SERS基底，滤纸在室温下进行压光处理（辊速：10 m/min，线压力：130 kgf/cm2），以减少表面粗糙度并提高结构一致性。疏水改性通过在密封腔室中采用FOS气相硅烷化处理实现（200 μL，70°C，30 min）。最后，以恒定电流60 mA溅射AgNPs 8分钟，形成等离子体层。所得滤纸基底储存于真空干燥器中备用。**可编程HCR调控热点的形成****基于滤纸的SERS基底表征**为开发具有均匀信号输出的灵敏SERS基底，首先对滤纸进行压光处理，随后用FOS进行改性。接触角测量表明，表面润湿性从亲水性（4.8°，图1A）变为疏水性（136.2°，图1B），且在AgNPs溅射后仍保持疏水性（135.5°，图1C）。对滤纸进行压光以减小表面不规则性，为后续改性提供更平滑的基础。原子……**结论**综上所述，我们建立了一个多功能便携式传感平台，采用疏水改性滤纸基底，实现CAP的双模态检测。疏水-等离子体纸基底抑制了液体扩散并减少了非特异性吸附，为稳定信号输出奠定了坚实基础。可编程HCR支架调控了等离子体热点的形成，利用手持式拉曼光谱仪实现了CAP的灵敏检测。未结合的AuNPs^pA^@4-ATP……**作者贡献声明（CRediT）****张鑫：** 写作 – 审阅与编辑，概念构思。**许子琪：** 写作 – 审阅与编辑，资金支持，概念构思。**王兆银：** 写作 – 审阅与编辑，监督指导，资金支持。**杨芙蓉：** 研究方法。**余腾飞：** 调查研究。**程雪清：** 验证。**郭馨妍：** 可视化呈现。**刘博：** 资源。**李丹丹：** 写作 – 原始草稿，概念构思。**数据可用性**数据可根据请求提供。**利益冲突声明**作者声明不存在已知的与本文所报告工作相关的竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本研究得到国家自然科学基金（22574079和22504063）、江苏省农业科技自主创新基金（JASTIF）（CX(24)3007）、江苏省高等学校基本科研（自然科学）研究项目（25KJB150020）、深圳市科技计划项目（KCXFZ20230731093259009）以及农业科技创新计划项目的资助。李丹丹 | 刘博 | 余腾飞 | 杨芙蓉 | 郭馨妍 | 程雪清 | 许子琪 | 张鑫 | 王兆银江苏省生物医学功能材料协同创新中心，南京师范大学化学与材料科学学院，南京 210023，中国