纸上“阀门”传感器：无仪器，靠流速快慢判断毒素含量

DNA水凝胶凭借其可编程的生物特异性识别能力和多功能性，在即时检测领域展现出革命性潜力，可用于检测疾病生物标志物（如PSA、甲胎蛋白）以及食品安全和环境监测中的污染物（如黄曲霉素、重金属离子）。其三维网络通过与目标分子相互作用发生结构变化，产生可检测信号，为新一代POCT平台奠定了基础。

用于生物传感器的DNA水凝胶可分为纯DNA水凝胶和杂化DNA水凝胶。后者通常具有更高的机械强度和更低的材料成本。然而，其实际应用面临两大挑战。首先，虽然通过掺入DNA-聚合物可以增强杂化DNA水凝胶的机械性能，但传统的自由基聚合制备方法通常需要使用有毒催化剂（如APS和TEMED）和严格的无氧条件，这与绿色化学原则相悖，并使制备过程复杂化。其次，当前的信号转导策略（如荧光或电化学检测）通常依赖于专用仪器或昂贵的纳米材料（如金纳米颗粒），限制了它们在低成本、无需仪器的POCT应用中的适用性。因此，开发一种环保、高效的DNA水凝胶制备方法，并将分子识别事件转化为便携的物理信号，对于克服实际POCT应用的障碍至关重要。

研究内容

图1.L-DHV传感器的工作原理

本研究创新地利用405 nm蓝光引发，将丙烯酰胺修饰的DNA链共价接枝到光敏性明胶甲基丙烯酰胺上，快速绿色地合成了DNA-聚合物（P-SA和P-SB）。P-SA、P-SB与适配体交联剂通过碱基互补配对自组装形成光基DNA水凝胶。将该水凝胶集成到纸基底中形成“阀门”。检测原理基于AFB1与其适配体的高亲和力特异性结合，该结合会竞争性破坏适配体与DNA-聚合物之间的配对，导致水凝胶网络解体、阀门“打开”，从而显著加速液体在纸通道中的流速。通过肉眼观察或计时溶液流经固定距离所需的时间，即可实现定量检测。

图2.DNA-聚合物制备关键因素的优化

优化实验表明，传感器的信噪比（SNR）随取代度（30%， 60%， 90%）和浓度增加均呈现先升后降的趋势。30%的取代度网络结构不足，而90%的取代度虽然检测信号差增大，但背景信号也显著增加，导致SNR降低。因此，60%取代度的GelMA被选为最优条件。浓度优化显示1%的GelMA浓度可获得最佳SNR。过低浓度无法有效结合DNA，过高浓度则导致聚合物链自交联。通过紫外吸收光谱（260 nm处出现DNA特征吸收峰）和DNA保留量计算（接枝效率92%-94%），证实了DNA成功接枝到GelMA上。

图3.L-DHV生物传感器关键参数的优化

DNA-聚合物提供了水凝胶网络中的结合位点，其浓度在7.5 μM时SNR最大，此时结合位点密度与网络渗透性达到最佳平衡。适配体交联剂作为交联剂，其浓度直接影响水凝胶网络的交联度，5 μM时SNR达到峰值。浓度过低网络不稳定，过高则网络过于致密阻碍目标分子扩散。其次，优化了自动条带切割机的水凝胶涂覆挤出速率，这是影响阀门响应的关键。实验发现，SNR随挤出速率（0.25， 0.5， 1， 1.25 μL/cm）增加呈单峰变化，在1 μL/cm时达到最大。速率过低无法有效修饰纸张孔结构，过高则可能堵塞孔隙。

图4.L-DHV生物传感器的特异性与重现性

为评估传感器的特异性，测试了空白缓冲液、500 pM AFB1以及其他四种霉菌毒素（AFG1， AFB2， ZEN， DON， 浓度均为5 nM）。结果表明，只有AFB1溶液在显著更短的时间内到达终点，即使其他毒素浓度高出10倍，其所需流动时间也与空白信号相当。这证实了传感器对AFB1具有高特异性。此外，使用L-DHV传感器对250 pM AFB1标准溶液进行10次重复检测，相对标准偏差为6.1%，表明传感器具有良好的重现性

图5.L-DHV生物传感器在实际样品检测中的可靠性验证

向AFB1阴性的莲子提取物中添加不同浓度（250 pM和500 pM）的AFB1标准品，用L-DHV传感器进行三重分析。随着加标浓度增加，样品溶液在纸基底中的流速显著加快（例如，500 pM时的流动时间比250 pM时缩短约60%），表明真实样品中的目标分子能有效触发阀门打开。三次实验的流动时间数据重现性良好（RSD < 9%），计算出的回收率在81%至98%之间。这表明样品前处理方法能高效地将AFB1转移至检测缓冲液中且损失最小，常见的基质干扰物不会显著抑制适配体与AFB1的结合，验证了传感器在复杂食品基质中准确检测的能力。

本研究成功开发了一种用于黄曲霉素B1高灵敏度、低成本、环保即时检测的光基DNA水凝胶阀门生物传感器。其核心创新包括：1）通过GelMA与DNA链的光交联，绿色高效地合成DNA-聚合物，避免了有毒引发剂，降低了DNA消耗和成本；2）利用目标物诱导纸基底上水凝胶阀门解体、改变流速的可见信号转导机制，实现了无需仪器的AFB1定量检测。传感器在50-750 pM范围内呈现良好线性（R²=0.9883），检出限为34.22 pM（约0.01 μg/kg，低于欧盟限量标准），每个测试水凝胶消耗量低至0.2 μL，在莲子基质中的加标回收率为81%-98%。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.talanta.2026.129388