革命性金纳米簇传感器：实现阿托摩尔级DNA检测的无PCR超灵敏平台

近年来，金纳米簇（AuNCs）因其独特的光致发光、生物相容性和分子状电子结构，在生物医学和环境应用中展现出巨大潜力。与传统金纳米粒子不同，尺寸小于2纳米的AuNCs表现出量子限域效应，荧光发射范围广，适用于生物成像和诊疗。然而，当前传感技术如PCR或量子点传感器虽能实现高灵敏度检测，但依赖标记、有毒溶剂或复杂修饰，限制了其实际应用。特别是在医学诊断中，早期疾病 biomarker 的检测需达到飞摩尔至阿托摩尔级浓度，现有方法往往缺乏特异性、环保性和简易性。因此，开发高灵敏、环保且适用于复杂生物基质的传感器成为迫切需求。AuNCs 凭借其内在荧光、表面可功能化特性，为核酸、蛋白质等生物分子检测提供了新途径，但现有方法常需额外淬灭剂或酶促放大，增加了复杂性。本研究旨在克服这些局限，提出一种无标记、环保合成的AuNCs传感器平台，通过简单功能化实现超灵敏检测，为实时诊断和环境监测提供创新解决方案。

研究成果

1. AuNCs的合成与光学性质表征​​

本研究首先采用绿色化学方法(如Figure 1所示)合成了金纳米簇，避免使用有毒溶剂，仅需3小时即可获得橙色发光的GSH-AuNCs。通过动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）表征，显示纳米簇水合直径约3纳米，金属核直径平均为2.7±0.9纳米。光学分析显示，AuNCs在400纳米处有特征吸收峰，荧光激发和发射峰分别位于400纳米和600纳米，具备良好的光物理性质。三维荧光图谱进一步揭示了其宽谱光学响应，为传感器应用奠定基础。

Figure 1  GSH AuNCs的合成与表征。a) GSH金纳米团簇(GSH Au NCs)合成示意图。通过b) DLS和c) HR-TEM对合成后NCs进行形貌表征，插图为直径分布图。通过d) UV-Vis吸收光谱、400 nm激发下记录的光致发光发射光谱及600 nm发射下记录的激发光谱对合成后NCs进行光学表征。e) 以发射波长为激发波长函数的三维光致发光图谱，Z轴不同颜色代表荧光强度。

2. DNA功能化增强传感器性能

在通过硫醇化单链DNA（ssDNA）与AuNCs进行配体交换，成功实现了传感器功能化。如Figure 2所示，紫外-可见吸收光谱在260纳米处出现DNA特征峰，证实了ssDNA探针的附着；荧光分析显示功能化后量子产率从0.012提升至0.069，表明DNA壳层增强了发光效率。Zeta电位测量进一步验证了功能化，值从-7毫伏（GSH封端）变为-20毫伏，反映了DNA磷酸基团的负电荷贡献。FT-IR光谱也显示了DNA特异性振动峰，确认了结合有效性。

Figure 2  ssDNA功能化金纳米簇的表征。a) AuNCs-ssDNA与HS-ssDNA探针进行配体交换的示意图。b) UV-Vis吸收光谱 c) 荧光光谱（激发波长=400 nm）以及 d) 金纳米簇在ssDNA探针功能化前（黑线）与功能化后（红线）的Zeta电位测量结果。

3. 传感器灵敏度与特异性评估

浓度依赖性实验显示(Figure 3)，荧光淬灭程度与目标DNA浓度正相关，通过Hill方程拟合得到解离常数Kd为1.6纳秒，检测限达32皮摩尔。优化后传感器性能显著提升，Kd降至79.3飞摩尔，检测限低至25阿托摩尔。特异性测试中，传感器对非特异性DNA、葡萄糖、甘氨酸和BSA的响应较弱，淬灭幅度远低于特异性DNA，证明了高选择性。

Figure 3  浓度依赖性杂交研究。a) 传感器与不同浓度单链DNA靶标孵育后的荧光光谱。b) 靶标浓度递增时传感器淬灭强度相对于初始荧光强度的百分比，插图为特异性与非特异性单链DNA的对比（激发波长400 nm，发射波长600 nm）。c) 传感器在有无特异性/非特异性单链DNA存在时的Zeta电位测定。

4. 复杂环境中传感器可靠性验证

在血液基质测试中（如Figure 4所示），传感器即使加入全血，仍能区分特异性DNA与缓冲液对照，淬灭幅度高出三倍。Zeta电位和UV-Vis光谱证实，杂交后纳米簇稳定性增强，避免了聚集，而对照组出现明显沉淀。这突出了传感器在真实生物环境中的适用性，为医疗诊断提供了实用潜力。

Figure 4  传感器分析物特异性及血液基质中的评估。a) 传感器在特定ssDNA（黑线）、非特定ssDNA（红线）和仅含MES缓冲液（蓝线）存在下，淬灭强度百分比随对数浓度变化的函数关系。b) 固定分析物浓度（3 nM）下，不同分析物存在时传感器发光的淬灭强度百分比。c) 血液基质中特定ssDNA的MES溶液（3 nM）与仅含MES缓冲液存在下传感器发光的淬灭强度百分比（激发波长400 nm，发射波长600 nm），插图为含特定DNA（左）和MES缓冲液（右）的传感器在血液中的照片。d) 血液基质中特定DNA（黑线）与仅含MES缓冲液（蓝线）存在下传感器的紫外-可见吸收曲线。

本研究成功开发了一种基于金纳米簇的超灵敏、环保型DNA传感器，通过绿色合成和DNA功能化，实现了阿托摩尔级检测限，无需PCR扩增或标记步骤。传感器核心优势在于其模块化设计：环保合成降低了环境负担；无标记功能化简化了制备流程；高特异性和灵敏度使其能区分复杂生物基质中的目标分子，如在血液中保持稳定性能。与现有技术相比，该传感器克服了酶促放大或毒性材料的局限，为早期疾病诊断和环境监测提供了更安全、高效的解决方案。未来，通过优化探针设计和表面钝化，传感器可扩展至蛋白质或小分子检测，适配特定适配体或肽段，进一步提升应用广度。然而，当前量子产率相对较低，未来工作可聚焦于提高发光效率，并探索单核苷酸多态性检测能力。总体而言，该平台将简易性、高灵敏度与实时应用潜力结合，有望推动个性化医疗和现场快速检测技术的发展，为纳米材料在生物传感领域的创新树立了新标杆。

原文doi:10.1016/j.apsadv.2025.100762.