胰岛素样生长因子-1（IGF-1）是一种在生长激素刺激下由肝脏分泌的循环多肽，在垂体功能评估、内分泌过程调节和生长异常识别中扮演关键角色。其表达异常与糖尿病、心血管疾病、腹主动脉瘤和前列腺癌等多种疾病相关。

DNA纳米机器是一类可沿预设轨道自主移动的分子机器，在催化、环境监测、癌症诊断和生物传感领域应用广泛。由于具有高可编程性和良好生物相容性等优势，DNA纳米机器被视为信号放大的有力工具。相比于一维或二维DNA纳米机器，三维（3D）DNA纳米机器具有更好的DNA负载能力、更多功能域和更高效率。然而，受限于布朗运动固有的微弱驱动力，3DDNA纳米机器的行走效率仍有待提高。因此，探索额外的驱动力以促进其运动具有重要意义，有助于改善3DDNA纳米机器的信号放大效果。

镓基液态金属是一种在室温下呈液态的非晶态金属材料，兼具金属和流体特性，具有高导电性、良好的光热效应和室温流动性等优点。特别地，液态金属纳米颗粒可在其表面引发自由基聚合反应，形成聚合物结构，并能与功能性核酸结合。此外，液态金属纳米颗粒在近红外（NIR）照射下的光热效应可在纳米颗粒与环境溶液之间产生温度梯度，从而驱动热电泳运动。因此，利用NIR作为额外驱动力的液态金属纳米颗粒有助于构建具有高行走效率的3DDNA纳米机器。

研究内容

图1.三重模式生物传感器的原理

液态金属纳米颗粒通过其未成对电子与丙烯酰胺单体的碳基自由基形成共价键，引发聚丙烯酰胺在其表面的局部聚合，形成LM-pAM。随后，带有丙烯酸酯基团的DNA序列H1被整合到聚合物网络中，形成LM-pAM-H1。在靶标IGF-1存在时，适配体H2与靶标特异性结合形成复合物，暴露出序列并与H3杂交，启动催化发卡组装（CHA）反应，最终形成多足结构的LM-pAM-DNA纳米子弹。在808nmNIR照射下，纳米子弹利用Mg2+-DNAzyme驱动，在磁珠@二氧化硅-DNA复合物上的轨道上快速行走，切割轨道DNA，释放负载的TMB。磁分离后，上清液和沉淀物分别用于信号输出：上清液中的TMB经HRP/H2O2催化生成oxTMB，产生比色信号（CL模式）；oxTMB具有良好的光热效应，可产生光热信号（PT模式）；沉淀物中剩余的TMB在经AuNPs修饰的ITO电极上产生电化学信号（EC模式）。

图2.LM-pAM-DNA纳米子弹的表征

透射电镜和扫描电镜显示，液态金属纳米颗粒呈均匀球形，直径约200nm。X射线衍射谱图与Ga和In的标准衍射峰一致，证实了液态金属纳米颗粒的成功合成。在液态金属纳米颗粒表面进行pAM局部聚合后，形成的LM-pAM呈现明显的核壳结构，表面更粗糙。傅里叶变换红外光谱证实了pAM的成功形成。ζ电位分析显示，pAM修饰后电位从40.3mV升至45.1mV，而带负电的DNA组装后电位降至20.4mV，证明了LM-pAM-DNA纳米子弹的成功构建。动态光散射曲线逐渐增大也支持了pAM和DNA在液态金属纳米颗粒上的组装。X射线光电子能谱和元素Mapping分析进一步证实了C、O、P、Ga、In等元素的存在，验证了纳米子弹的组成。

图3.MBs@SiO2-DNA复合物的表征

磁珠呈球形，在90秒内捕获效率达到99%，显示出快速的磁响应和高效分离能力。经二氧化硅包覆后，形成MBs@SiO2，元素Mapping显示了Fe、Si、O元素的分布，证实了二氧化硅层的成功包覆。傅里叶变换红外光谱也验证了MBs@SiO2的形成。负载TMB和DNA轨道后，形成MBs@SiO2-DNA复合物，其动态光散射峰从MBs的295nm迁移至459nm，表明成功合成。紫外-可见光谱显示，与TMB溶液孵育后，上清液吸收峰显著降低，表明TMB被成功负载到复合物中。

图4.LM-pAM-DNA纳米子弹的光热效应

纳米子弹溶液的温度随照射时间的延长而升高，并在5分钟后趋于稳定。温度升幅与纳米子弹的浓度呈正相关。经过三个加热-冷却循环，温度曲线保持一致，显示出良好的光热稳定性。计算得出其光热转换效率为37.4%。因此，NIR照射能在纳米子弹与环境溶液之间产生温度梯度，驱动热电泳，促进其快速运动。通过使用TRITC-葡聚糖染料作为指示剂的实验进一步证实，在NIR驱动下，纳米子弹的快速运动促进了染料的扩散。此外，与单独的H1相比，引入LM-pAM-DNA纳米子弹后，生物传感器的差分脉冲伏安法电流显著降低，表明液态金属为H1提供了大量组装位点，形成了多足行走腿。在NIR照射下，DPV信号在25分钟内即达到平台期，显著短于无NIR照射的45分钟，行走步数计算为82步，证明了NIR驱动有效提高了行走效率和信号放大效果。

图5.三重模式生物传感器的表征

在IGF-1存在下，上清液在652nm处的吸光度显著增加，证实了CL模式的可行性。催化产物oxTMB表现出良好的光热性能，在IGF-1存在下，催化体系的温度从24.5°C升至34.9°C，证明了PT模式的可行性。催化发卡组装和Mg2+-DNAzyme切割过程均显著增强了CL和PT信号，证明了良好的信号放大效应。在EC模式构建中，在ITO电极上电沉积AuNPs以提高导电性。电化学阻抗谱证实了电极的逐步修饰过程。在IGF-1存在下，DPV信号明显降低，证实了EC模式的可行性。AuNPs的沉积使DPV信号提高了约1.6倍。催化发卡组装和Mg2+-DNAzyme切割过程也分别使DPV信号显著降低约86.8%和85.2%，显示了其优异的循环催化效率。

图6.三重模式生物传感器的分析性能

在CL模式中，吸光度在500pM至100nM范围内与IGF-1浓度对数呈线性关系，检出限为83.73pM。在PT模式中，溶液温度变化在500pM至100nM范围内呈线性响应，检出限为447.73pM。在EC模式中，DPV电流在1fM至100nM范围内与IGF-1浓度对数呈线性关系，检出限低至0.22fM，灵敏度优于已报道的多数方法。传感器对IGF-1表现出高选择性，干扰蛋白和金属离子未引起明显的信号变化。五个平行制备的传感器对0.5nMIGF-1的检测显示出良好的重现性（RSD分别为4.0%、4.4%和3.9%）。

本研究成功开发了一种高效、近红外驱动的LM-pAM-DNA纳米子弹，结合MBs@SiO2-DNA复合物，构建了一个CL-PT-EC三模生物传感器，用于IGF-1的超灵敏检测。该传感平台具有三个突出特点：首先，通过简单高效的局部聚合反应，制备了具有高行走效率的近红外驱动LM-pAM-DNA纳米子弹，其光热效应驱动的热电泳显著缩短了运动时间。其次，利用靶标触发纳米子弹在复合物上的快速行走，通过充分使用反应后的上清液和沉淀物，实现了比色、光热和电化学三重信号的读出，提高了检测的可靠性和准确性。其中，EC模式的检出限达到0.22fM，展现出极高的灵敏度。最后，该策略不仅适用于IGF-1检测，还可通过更换适配体序列模块，轻松扩展至不同靶标（核酸、蛋白质、小分子）的检测，在疾病诊断、食品安全和环境监测领域具有广泛的应用潜力。未来，通过3D打印和生物传感芯片集成多模式便携式设备，有望实现高效的多信号现场检测。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.5c06276