磁控一体化三模态检测平台：利用DNA四面体-聚多巴胺探针实现有机磷农药的高效监测

研究背景

有机磷农药（OPs）是一种广泛用于农业生产的高效杀虫剂和作物生长调节剂。由于其高毒性和持久性，OPs残留对人类健康和生态系统造成严重危害，例如抑制乙酰胆碱酯酶活性，引发阿尔茨海默病、帕金森综合征和肾脏损伤等。近年来，比色法、表面增强拉曼光谱、光电化学、荧光和电化学传感器被设计用于OPs检测。尽管这些传感器具有高灵敏度和定量能力，但它们受限于单一输出模式，并且受不同操作条件的影响，从而在一定程度上影响检测精度。因此，开发多模态传感器对于OPs检测至关重要。

研究思路

本研究设计了一种基于磁性微球（MBs）和多功能DNA四面体-Fe^³⁺-聚多巴胺（TDN-Fe³⁺-PDA）信号报告单元的磁性可控一体化传感平台，用于OPs的比色-光热-荧光三模态检测（图1）。首先，MBs-适配体（S1）作为DNA四面体（TDN）和Fe^³⁺-PDA的有效纳米载体，形成MBs@TDN-Fe^³⁺-PDA复合物。其中，TDN与S1杂交，其剩余的顶点作为Fe³⁺-PDA的支架，构建了一体化传感平台（图1A）。以丙溴磷（Pro）为模型目标，在靶标存在时，MBs上的S1特异性识别Pro（核酸适配体与目标物的识别），导致大量TDN-Fe^³⁺-PDA的释放。经过磁性分离后，通过充分利用上清液和沉淀，实现比色-光热-荧光三模态信号输出（图1B）。在比色（CL）模式中，释放的TDN-Fe³⁺-PDA具有类过氧化物酶活性，能够催化TMB-H₂O₂体系，生成具有典型蓝色的氧化TMB（oxTMB）。由于Fe³⁺-PDA和催化产物oxTMB的光热效应，在808 nm近红外光照射下获得了增强的光热（PT）信号。此外，利用MBs@TDN-Fe³⁺-PDA沉淀进行荧光（FL）信号输出，其中TDN作为模板，通过抗坏血酸（AA）还原Cu^²⁺离子，在MBs表面原位形成铜纳米簇（CuNCs），从而输出荧光信号。

图1磁性控制一体化传感平台原理图。（A）MBs@TDN-Fe³⁺-PDA的制备；（B）Pro检测的比色、荧光和光热模式。

主要研究内容及结果

（1）Fe³⁺-PDA的催化活性评估（图2）：Fe³⁺-PDA在TMB-H₂O₂体系中表现出显著的催化活性，导致652 nm处的吸收峰显著增强，表明其类过氧化物酶活性。催化机制研究结果表明Fe³⁺-PDA能够高效生成羟基自由基（•OH），其稳态动力学实验结果表明，以TMB为底物时，Km为0.15 mM，Vmax为0.91×10^-8 Ms^-1；以H_₂O_₂为底物时，Km为0.23 mM，Vmax为0.48×10^-8 Ms^-1，表明Fe³⁺-PDA具有高催化活性。在靶标分析物存在时，传感体系的紫外-可见吸收光谱显著增强，证明了比色模式用于分析物检测的可行性。

图2 （A）Fe³⁺-PDA的催化过程示意图；（B）不同反应体系的紫外-可见吸收光谱：（a）TMB，（b）TMB + H₂O₂，（c）Fe³⁺-PDA + TMB，（d）Fe³⁺-PDA+TMB+H₂O₂；（C）PDA和Fe³⁺-PDA对TMB-H₂O₂体系的紫外-可见吸收光谱：（a）PDA，（b）Fe³⁺-PDA；（D）不同反应体系的荧光光谱：（a）PTA，（b）PTA+H₂O₂，（c）Fe³⁺-PDA，（d）Fe³⁺-PDA + H₂O₂，（e）Fe³⁺-PDA+PTA+H₂O₂；（E）Fe³⁺-PDA与PTA+H₂O₂孵育不同时间的荧光强度；（F）通过DMPO捕获的羟基自由基（•OH）的电子顺磁共振（EPR）光谱；（G）Fe³⁺-PDA以H₂O₂为底物的稳态动力学分析；（H）以TMB为底物的稳态动力学分析（插图为相应的Lineweaver-Burk双倒数图）；（I）全集成传感平台用于Pro检测的比色信号。

（2）Fe³⁺-PDA的光热效应评估：808 nm近红外光照射下，Fe³⁺-PDA溶液的温度随照射时间增加而升高，并在7分钟后趋于稳定。温度升高与Fe³⁺-PDA浓度及激光功率呈正相关。Fe³⁺-PDA光热转换效率为36.9%，其加热-冷却曲线在三个循环中保持一致，表明良好的光热稳定性和可重复性。研究证明光热效应不仅增强了Fe³⁺-PDA的催化活性，还通过催化产物oxTMB进一步增强了温度变化。基于这些特性，光热模式能够有效用于分析物的检测，为该一体化传感平台提供了新的检测手段。

（3）TDN模板化CuNCs用于荧光信号输出：为了提高检测灵敏度，利用TDN作为模板在MBs原位生长CuNCs，以引入FL信号。研究结果表明，CuNCs表现出良好的光学特性，其荧光激发和发射光谱分别位于340 nm和575 nm，荧光强度在目标分析物存在时显著增强，证明了荧光模式用于检测的可行性。此外，Fe³⁺-PDA和TDN的整合显著放大了信号输出，为该一体化传感平台的多模态检测提供了有力支持。

（4）方法检测性能评估：在最佳实验条件下，通过记录对不同浓度丙溴磷（Pro）的CL-PT-FL响应，评估了一体化传感平台的分析性能。得到CL模式下检测限为0.23 ng/mL，肉眼可观察的CL图像检测限为0.5 ng/mL；PT模式检测限为0.40 ng/mL；FL模式检测限为0.14 ng/mL。与已报道的方法相比，该三模态传感器对Pro检测的检测限更低。同时，开发的方法被证明具有良好的选择性、重复性和稳定性，表明一体化策略是一种有前景的灵敏检测方法。

（5）实际样品分析：通过在湖水和生菜样品中添加不同浓度的Pro，验证了三模态传感平台的实际应用能力。其检测性能与气象色谱方法高度一致，且具有良好的回收率和低相对标准偏差（RSD）值，证明了该平台在复杂样品中检测Pro的有效性和可靠性。

研究结论

本研究构建了一种磁性可控的三模态传感平台，用于有机磷农药（OPs）的检测。所提出的策略具有以下三个特点：（1）利用MBs@TDN-Fe³⁺-PDA构建了一体化传感平台，简化了操作流程，并具备高效的检测能力；（2）充分利用MBs@TDN-Fe³⁺-PDA的上清液和沉淀，实现了比色、光热和荧光三模态信号输出，从而提高了检测的准确性；（3）该靶标触发的三模态传感平台对Pro检测表现出高灵敏度和特异性。该平台在食品安全和环境监测领域具有广阔的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117258