基于DNAzyme门控石墨烯场效应晶体管的大米中Cd2?离子快速检测

《Biosensors and Bioelectronics》：Rapid Detection of Cd2+ Ions in Rice Using DNAzyme Gated Graphene Field-Effect Transistor

　　

摘要

镉污染的稻米对公众健康构成严重威胁，需要快速筛查方法。遗憾的是，传统的镉检测技术通常繁琐且昂贵，不适合现场应用。在本研究中，我们开发了一种在石墨烯沟道处以结合模式固定脱氧核酶（DNAzyme）探针的石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感器。通过对传统催化型DNAzyme进行合理重新设计，我们抑制了其自催化切割活性，同时完全保留了其对Cd²⁺的高特异性结合亲和力，从而创造了一种纯结合模式的探针。随后将该探针固定在GFET传感器的石墨烯沟道上以捕获Cd²⁺。Cd²⁺积累引起的表面电荷变化被GFET高效转换为可测量的电信号，实现了对稻米样品中Cd²⁺的快速准确定量检测，检测限（LOD）低至0.3 μg/L，回收率高达94.74%。本研究为农产品中重金属污染的快速、准确、现场检测提供了一个有前景的平台。

引言

作为世界第二大水稻生产国，中国仅稻米一项就贡献了国内粮食总产量的三分之一以上（He等，2020），且约60%的人口依赖稻米作为主食。然而，由于其广泛的根系和独特的生长周期，水稻容易从环境中吸收和积累镉（Cd）这种有毒重金属（Yang等，2018）。长期食用受镉污染的稻米会带来严重的健康风险，如贫血、高血压、肝肾和肺部损伤、肾功能衰竭以及癌症风险升高（Yin等，2021；Mao等，2022；Song等，2023）。因此，开发高效的镉离子检测技术至关重要。

尽管研究人员最近开发了各种先进的传感技术用于高灵敏度分析物检测（Deng等，2026；Lin等，2025；Sun等，2024；G. Wu等，2024），包括快速检测方法（Xu等，2021；Tian等，2024；Xu等，2025），但在实际应用中对Cd²⁺的分析仍然主要依赖大型仪器，如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）（Cervantes等，2017）、原子吸收光谱（AAS）（Wu等，2022）和荧光光谱仪（Ma等，2016）。然而，这些传统技术受限于高昂的设备成本、耗时的消解前处理、需要专业人员操作的复杂程序以及可能产生化学废物的问题。因此，这些局限性使得此类技术难以满足农业生产中日益增长的低成本、快速检测需求（Ren等，2022）。

基于石墨烯的传感器件因其高载流子迁移率和可调的表面化学性质而受到广泛关注（Kuila等，2011；Dai等，2022）。其中，石墨烯场效应晶体管（GFETs）由于其卓越的灵敏度、易于功能化和成本效益，已成为电化学生物传感领域的重要系统（Haslam等，2018；Bungon等，2021）。最近的研究还证明了石墨烯及其他二维材料基场效应晶体管平台在生物和化学传感方面的广泛适用性（Tian等，2022、2020a、2020b；Zhao等，2025）。在GFET中，源-漏沟道电导（以沟道电流I_DS表示）可以通过两种主要机制来调节。首先，通过栅极施加外部电场，利用栅极电压调节沟道电流。其次，带电物种吸附到石墨烯界面会改变局部表面电荷分布，从而横向移动转移曲线并进一步调节沟道电流（Rungreungthanapol等，2023）。这两种机制使GFETs能够实现广泛目标生物分子的超灵敏检测（Yogeswaran等，2018；Szunerits等，2024）。然而，由于在原始石墨烯上的吸附是非特异性的（Béraud等，2021），因此需要使用能够选择性结合目标分析物的探针来修饰石墨烯界面至关重要。

在过去二十年的快速生物材料发展推动下，脱氧核酶（DNAzymes）已成为用于金属离子传感的创新生物工具（Wang等，2021）。作为多功能寡核苷酸，DNAzymes凭借其独特的催化能力以及广泛的应用前景，引起了显著的跨学科关注（Liang等，2023）。DNAzymes对目标分子，尤其是金属离子，表现出卓越的亲和力和特异性，使其被广泛用作金属离子检测中的识别探针（Zhang等，2021）。近年来，已设计了多种由DNAzymes驱动的生物传感平台用于重金属物种的监测，包括Pb²⁺（Yang等，2024）、Cu²⁺（Xu等，2018）和Ni²⁺（Ren等，2020）。这些金属离子被归类为硬或边界Lewis酸，倾向于与DNA的磷酸二酯骨架强结合。然而，Cd²⁺的亲硫特性给使用传统体外筛选方法筛选Cd²⁺特异性DNAzymes带来了重大挑战。为解决这一问题，Liu课题组（Huang和Liu，2015）通过在底物RNA切割位点引入一个磷酸硫代酯（PS）取代来增强金属结合亲和力，成功分离出了一种Cd²⁺特异性DNAzyme。结合Cd²⁺后，DNAzyme激活酶链以切割底物链，导致不可逆的结构变化。为了构建可重复使用和稳定的Cd²⁺特异性DNAzyme探针，我们用脱氧核苷酸（A）替换了底物切割位点的核糖核苷酸（rA）。这一修饰使DNAzyme能够在不发生不可逆底物切割的情况下特异性捕获Cd²⁺，从而保持探针的结构完整性。

在本研究中，我们构建了一个以DNAzyme结合模式（BM-DNAzyme）修饰在石墨烯沟道上作为捕获探针的石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感平台，用于稻米样品中Cd²⁺的快速高灵敏检测。我们证明修饰后的BM-DNAzyme保留了对Cd²⁺的高亲和力，并成功与GFET整合构建了生物传感器。该生物传感器对Cd²⁺的超低检测限（LOD）为0.3 μg/L，具有优异的抗干扰能力，在稻米样品中检测性能可靠，结果与ICP-MS检测结果高度一致。总之，所构建的BM-DNAzyme门控GFET生物传感器作为准确快速检测多种农产品中重金属污染的有效工具具有广阔前景。

章节摘要

材料与试剂

一级单层石墨烯（覆盖率>97%）购自合肥微纳材料科技有限公司，采用化学气相沉积（CVD）技术合成，为悬浮自转移薄膜。标准离子溶液（Cd²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺、Ag⁺、As³⁺和Hg²⁺）购自有色金属和电子材料国家分析测试中心。Biotech Bioengineering（中国上海）为2-(N-吗啉基)

BM-DNAzyme捕获Cd²⁺能力的验证

为构建具有高稳定性的目标捕获探针，我们将此前报道的Cd²⁺特异性DNAzyme修饰为BM-DNAzyme。如图2a所示，将底物切割位点的可切割核糖腺苷（rA）替换为其脱氧核苷酸类似物腺苷（A）。由于切割RNA的DNAzyme需要切割位核糖核苷酸的2′-羟基作为亲核试剂进行磷酸二酯转酯反应，这种替换去除了必需的2′-羟基

结论

总之，本研究成功开发了一种基于BM-DNAzyme门控GFET的生物传感平台，用于稻米样品中Cd²⁺的精确定量检测。通过对传统催化型DNAzyme进行结构改造，构建了一种高稳定的纯结合模式DNAzyme探针（称为"BM-DNAzyme"），该探针完全阻断了催化切割过程，同时保留了其对Cd²⁺的特异性捕获能力。实验结果表明，该传感器表现出

CRediT作者贡献声明

Lei Zheng：资源、资金获取、概念构思。Songjia Luo：验证、调查研究、正式分析、数据整理。Jianpeng Chen：初稿撰写、可视化、验证、调查研究、正式分析、数据整理。Lu Wang：审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法学、资金获取、概念构思。Yu Mao：资源、方法学

未引用参考文献

Wu等，2024。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（U23A20265）和安徽省自然科学基金（2408085MC072）的资助。

Chen Jianpeng｜Luo Songjia｜Mao Yu｜Wang Lu｜Zheng Lei

合肥工业大学 食品与生物工程学院，合肥 230009，中国