一种用于5-羟色胺检测的原位增强型电化学发光生物传感器，通过 Co3O4 纳米片的催化作用和自反馈 DNA 循环进行信号增强

摘要

本研究介绍了一种用于 5 - 羟色胺检测的原位增强型电化学发光（ECL）生物传感器，该传感器通过 Co₃O₄ 纳米片的催化作用和自反馈 DNA 循环（SFDR）实现信号增强。具体而言，通过酰胺键将aptamer:S杂交体固定在磁珠表面。当 5-羟色胺存在时，它会与 aptamer:S 杂交体中的 aptamer 竞争性结合。随后，释放出的 S 链与固定在 CdS 量子点（CdS QDs）修饰电极上的发夹 DNA（H）发生反应，H 的环状部分含有沉默的 Mg^{2 +} 辅助 DNA 酶位点。激活的 Mg^{2 +} 辅助 DNA 酶切割 H 并重新释放 S 链。因此，Mg^{2 +} - DNA 酶辅助循环发生，产生大量残留的单链 DNA 片段，然后与电极表面上修饰有 Co3O4 的 P 链发生反应。这些结果直接将Co₃O₄ 纳米片引入到 CdS QDs 附近，导致 H2O2 还原为羟基自由基（•OH），并增强了 CdS QDs 在 CdS QDs - H₂O₂ 体系中的电化学发光发射。基于这种信号放大策略，该传感器实现了对 5 - 羟色胺检测的低检测限（1.5 pM）。这种方法使所提出的 ECL 生物传感器在 5 - 羟色胺的痕量检测方面具有广阔的应用前景。

引言

5 - 羟色胺（5 - HT，又称血清素）是一种重要的单胺类神经递质，广泛存在于胃肠道、血小板和中枢神经系统中，参与调节情绪、睡眠、食欲和肌肉收缩等多种生理功能。人体中 5 - 羟色胺水平的异常变化与多种疾病密切相关，如抑郁症、焦虑症和神经退行性疾病等。因此，快速、准确且灵敏地检测 5 - 羟色胺对于临床诊断和治疗具有重要意义。然而，现有的检测方法大多存在灵敏度不足、操作复杂或成本较高等问题，难以满足实际应用需求。近年来，电化学发光（ECL）技术因其高灵敏度、低背景信号和良好的生物相容性等优点，在生物传感器领域受到广泛关注。本研究旨在开发一种基于 ECL 的 5 - 羟色胺生物传感器，通过引入 Co3O4 纳米片和自反馈 DNA 循环（SFDR）策略，实现对 5 - 羟色胺的高灵敏度检测。

研究背景与意义

5 - 羟色胺在人体生理功能中扮演着关键角色，其水平的异常变化与多种疾病的发生发展密切相关。传统的 5 - 羟色胺检测方法如高效液相色谱（HPLC）、酶联免疫吸附测定（ELISA）等，虽然具有较高的灵敏度和特异性，但存在操作复杂、成本较高以及检测时间较长等局限性。电化学发光（ECL）技术作为一种新兴的检测手段，具有操作简便、灵敏度高、检测速度快等优点，为 5 - 羟色胺的检测提供了新的思路。通过设计合理的 ECL 生物传感器，有望实现对 5 - 羟色胺的快速、灵敏检测，为相关疾病的早期诊断和治疗提供有力支持。

图 1. 示意图展示了（A）依赖于 5 - 羟色胺的 S 链，（B）基于Co₃O₄纳米片催化和自反馈 DNA 循环（SFDR）的原位增强电化学发光（ECL）生物传感器对 5 - 羟色胺检测的传感过程，以及（C）ECL 信号的增强机制。