基于多分支环状DNA和双金属纳米材料的信号放大电化学适配体传感器，用于复杂食品基质中 Histamine（组胺）的灵敏检测

《Analytica Chimica Acta》：Signal-amplified electrochemical aptasensor based on multi-branched circular DNA and bimetallic nanomaterials for sensitive histamine detection in complex food matrices

　　

摘要

背景

组胺是一种在食品变质过程中产生的高风险生物胺。过量摄入可能引发严重的过敏反应或中毒，因此开发出准确的检测方法至关重要。本研究提出了一种新型电化学适配体传感器，用于灵敏地检测组胺。

结果

该传感器由多分支环状DNA结构、硫堇/Au@普鲁士蓝类似物（Thi/Au@PBA）、Au@Pd纳米花（Au@Pd NFs）以及通过分子对接和实验筛选出的适配体组成。与线性DNA相比，环状DNA在低和高浓度下都能增强传感器的信号放大效果。目标分子存在与否时，Au@Pd NFs改性电极的响应信号差异是裸电极的1.55倍。此外，在一定浓度的硫堇溶液中，Au@PBA改性电极的信号响应是裸电极的2.77倍。所制备的适配体传感器具有超低检测限（2.16 pg/mL）和宽广的线性范围（0.01-500 ng/mL），同时表现出高选择性、重复性、可重复性和稳定性。该传感器在食品基质（鲑鱼、金枪鱼和红葡萄酒）中的准确检测结果证实了其 Practical value（实际应用价值）。

意义与创新

本研究提出了一种基于多分支环状DNA和双金属材料的双电化学适配体传感器，用于灵敏检测组胺。该传感器在快速食品安全检测领域具有巨大潜力。

引言

组胺是一种存在于各种食品中的常见生物胺[1]。作为食品过敏原，高水平的组胺可导致食物中毒和不良炎症反应[2]。因此，检测和量化组胺对于评估食品新鲜度及保障敏感消费者的安全至关重要[3]。

目前，传统的检测方法如高效液相色谱（HPLC）[4]、液相色谱-质谱（LC-MS）[5]和酶联免疫吸附测定（ELISA）[6]受到昂贵仪器和复杂样品预处理的限制[7][8][9][10]。电化学传感器由于其易于使用，为微量分析物的检测提供了有效解决方案[11][12]。此外，由于不需要复杂的样品制备，它们被广泛应用于农业、食品和环境领域[13][14]。

适配体（Aptamers, Apts）是短的单链DNA或RNA分子，或是通过体外筛选获得的合成XNA分子，能够以高选择性和强亲和力识别并结合目标分子[15]。它们易于制备、储存和化学修饰，因此受到广泛关注[16][17]。在组胺检测方法中，适配体也常与电化学传感器结合使用[18]。此外，Y型支架[19]、四面体结构[20]和环状DNA结构[21]等DNA结构可作为信号放大的稳定支架。在这项研究中，我们设计了多分支环状DNA结构以实现信号放大策略。

电化学传感器的性能取决于电极界面和信号转导元件。功能性纳米材料，特别是贵金属纳米颗粒，由于其优异的催化和传感活性，可以有效优化传感器性能[22]。在这项设计中，我们采用了多分支环状DNA结构作为信号放大策略，Au@Pd纳米花作为电极修饰材料，Thi/Au@PBA作为信号探针，构建了一种新型电化学适配体传感器用于检测组胺。此外，根据文献，所选择的组胺适配体是通过结合理论模拟和实验验证的综合评估来确定的。

由于双金属协同效应可以进一步提高导电性[23]，我们制备了Au@Pd纳米花（Au@Pd NFs）作为电极修饰材料以增强性能。同时，信号报告基因的选择也非常关键。普鲁士蓝类似物（PBA）因其独特的框架和丰富的离子扩散通道，在电化学传感中具有很高的理论容量和潜力[24][25][26]。通过将金纳米颗粒和电活性硫堇（Thi）加载到PBA上，我们构建了高性能信号标签（Thi/Au@PBA）作为信号探针。

基于以上因素，本研究开发了一种新型电化学适配体传感器用于检测组胺。该传感器的性能已在灵敏度、选择性、稳定性和实际食品样品中的适用性方面进行了系统性优化和评估。这为组胺监测提供了一个新颖且高效的平台，具有在食品安全和质量控制领域的广泛应用潜力。

章节摘录

材料与方法

材料的详细信息、仪器及相关电化学检测方法见补充材料的第1节。此处使用的T4 DNA连接酶和寡核苷酸由Sangon Biotechnology Co. Ltd.合成和纯化。详细序列见表1。

组胺适配体的选择

采用分子对接技术研究了七种先前报道的适配体[27][28][29][30][31][32]与组胺之间的结合亲和力。

组胺适配体的选择

通过对七种先前报道的组胺适配体序列（表S1）进行分子对接模拟，评估了它们与组胺的结合亲和力。7种适配体的可视化对接结果如图S1A–G所示。

其中，结合亲和力最强的两种适配体是Apt-1和Apt-2。这两种适配体的结构及其与组胺的结合相互作用分别显示在图1A和图1B中。

结论

总之，本研究成功开发了一种用于检测组胺的电化学适配体传感器。该传感器的设计包含三个关键要素：首先是作为装载多个信号探针支架的多分支环状DNA结构（优化为四个分支）；其次是引入了具有优异电催化活性的Au@PBA以装载更多硫堇作为信号探针；三是修改电极上的Au@Pd纳米花以改善界面电子传输。

CRediT作者贡献声明

王欣伟：资源、方法学、研究。 赵峰娟：方法学、形式分析。 高浩颖：写作——初稿、方法学、研究、形式分析、数据管理、概念化。 牛嘉宇：写作——审稿与编辑、可视化、资源、研究。 刘勇：方法学、形式分析。 魏敏：写作——审稿与编辑、监督、资源、数据管理。 索志光：监督、形式分析。

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：32502346）的资助。

高浩颖 | 王欣伟 | 赵峰娟 | 索志光 | 刘勇 | 魏敏 | 牛嘉宇 食品科学与技术学院，河南粮食与油脂食品安全与营养重点实验室，河南工业大学，郑州450001，中国