导读：

有机磷化合物广泛分布于土壤和水体中，对环境和生物体具有高度毒性。目前，有机磷化合物的检测主要依赖于单一模式，这使得同时实现良好的便携性、准确性和灵敏度存在挑战。近期，军科院军事医学研究院高志贤研究员、周焕英研究员、李双等人设计了一种基于目标触发DNA水凝胶修饰微流体的生物传感器，实现了对有机磷化合物马拉硫磷的比色/电化学双模式检测，其具有便携性、高灵敏度和良好选择性，为现场检测有毒有害物质提供了一种简单而准确的新方法。相关研究以“A colorimetric/electrochemical microfluidic biosensor using target-triggered DNA hydrogels for organophosphorus detection”为题目，发表在期刊《Biosensors and Bioelectronics》上。

本文要点：

1、设计了一种基于目标响应型DNA水凝胶的多功能微流控芯片，实现了对有机磷化合物马拉硫磷的比色/电化学双模式检测。

2、利用马拉硫磷特异性识别探针（MAF，二茂铁标记的马拉硫磷适配体）作为连接链，形成了可响应目标的DNA水凝胶。在马拉硫磷存在时，DNA水凝胶结构被破坏，释放出嵌入的金纳米粒子，产生可视化的颜色变化。

3、该水凝胶固定在电极表面，电化学信号也会随着目标浓度的变化而变化，实现了高灵敏定量分析。

4、该双模式传感器结合了微流控芯片的便携性和DNA水凝胶的响应性，具有宽线性范围、低检出限和良好的选择性，为现场检测有毒有害物质提供了一种简单、准确、灵敏的策略。

5、该传感器在实际环境和食品样品中对马拉硫磷的检测表现良好，验证了其在实际应用中的可靠性和实用价值。

该双模式生物传感器的关键特点如下：

1、将目标响应型DNA水凝胶与微流控芯片集成在一起，实现了比色和电化学两种检测模式。

2、DNA水凝胶含有金纳米粒子和二茂铁标记的寡核苷酸探针作为识别探针，可响应目标物质（马拉硫磷）并产生可视的颜色变化以及电化学信号变化。

3、比色模式可实现快速现场定性检测，并利用智能手机进行定量分析；电化学模式提供了较宽的线性范围（0.01-3000μM）和高灵敏度（检出限5nM）。

4、双模式设计实现了检测结果的相互验证，提高了传感器的整体可靠性和准确性。

5、与微流控芯片的集成增强了传感器的便携性，简化了现场应用的操作步骤。

6、该传感器具有良好的特异性、重复性和稳定性，能够准确检测真实环境和食品样本中的马拉硫磷。

目标响应型DNA水凝胶在检测过程中的工作原理如下：

1、DNA水凝胶是由两条互补的DNA链（SA和SB）与一个二茂铁标记的马拉硫磷适配体（MAF）作为桥接连接剂交联形成的。

2、当马拉硫磷存在时，它会与MAF竞争结合，导致SA和SB链从MAF上解离，从而使DNA水凝胶结构发生解聚。

3、DNA水凝胶的解聚会释放出其内部嵌入的金纳米粒子（AuNPs）到上清液中，引起可检测的颜色变化。

4、从水凝胶结构中释放出的二茂铁标记的MAF也会导致在差分脉冲伏安法（DPV）测量的电化学信号降低，因为MAF不再固定在电极表面上。

5、颜色变化和电化学信号变化都取决于目标马拉硫磷的浓度，从而实现对目标物的双模式检测和定量。

在生物传感器中使用微流控芯片具有以下优点：

1、提高便携性和稳定性：微流控芯片可以将DNA水凝胶传感器集成在一个小型装置中，增强了整个系统的便携性和稳定性。

2、实现自动化和微型化：微流控芯片可以集成反应、分离和检测等多个功能区域，实现样品处理的自动化和微型化，减少样品用量。

3、支持双模式检测：微流控芯片的不同功能区域可以与DNA水凝胶的比色和电化学检测模式相结合，在一个集成装置上实现双重信号输出。

4、提高检测准确性：两种检测模式可以相互验证，提高检测结果的可靠性和准确性。

5、便于现场检测：微型化的芯片设计和双模式检测功能，使该传感器更适合在现场快速、简便地检测目标物。

总之，微流控芯片的集成化特点有助于提高该生物传感器的便携性、自动化、灵敏度和准确性，从而满足现场快速检测的需求。

图1：（A）金纳米粒子（AuNPs）的表征，包括不同放大倍数下的透射电子显微镜（TEM）图像，显示了AuNPs的均匀分散和尺寸；（B）DNA水凝胶的表征，含AuNPs的水凝胶呈酒红色，不含AuNPs的水凝胶为透明色；（C）DNA水凝胶表面和横截面的扫描电子显微镜（SEM）图像；（D）不含上清液和含上清液的批量合成DNA水凝胶；以及（E-I）DNA水凝胶固定ITO电极表面Si、N、P、Fe和Au的分布。（J）原始、硅烷化处理和水凝胶涂层ITO电极的循环伏安（CV）曲线。

图2：（A）微流控芯片结构展开图。（B）基于组装比色/电化学双模式目标触发DNA水凝胶的微流控生物传感器。（C）微流控芯片俯视图。（D）微流控芯片的纵向剖面图。

图3：（A）展示了非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）的图像，用于验证MAF（马拉硫磷适配体）与马拉硫磷和SA、SB的竞争结合能力；（B）圆二色谱（CD），用于展示MAF、SA和SB的二级结构变化；（C）DNA水凝胶上清液随马拉硫磷浓度增加的颜色变化；以及（D）有无马拉硫磷时DNA水凝胶传感器的差分脉冲伏安法（DPV）曲线。

图4：（A）展示了不同浓度马拉硫磷标准溶液与DNA水凝胶生物传感器反应后的上清液的紫外-可见吸收光谱；（B）吸光度与马拉硫磷浓度的关系及（C）检测曲线；（D）与不同浓度马拉硫磷反应时DNA水凝胶的DPV曲线；（E）DPV峰电流变化与马拉硫磷浓度的关系及（F）检测曲线；以及（G-L）该双模式生物传感器对马拉硫磷检测的特异性、重复性和稳定性分析。

图5：（A）用智能手机对比色检测区域的上清液进行拍照；以及（B）平均灰度值与马拉硫磷浓度对数的关系图。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116558