DNA酶调控的共价有机框架，用于铀酰离子的双模式比色和荧光检测

《Microchemical Journal》：DNAzyme-regulated covalent organic framework for dual-mode colorimetric and fluorescent detection of uranyl ions

双模式传感器基于COFs与特异性DNA酶结合实现尿anyl离子的高灵敏检测，颜色信号源于COFs过氧化物酶-like活性增强，荧光信号由ssDNA淬灭引起，检测限低至0.058 nmol/L，兼具优异选择性和环境适用性。

　　

郭庆琴|刘金全|徐东云|刘思如|张海云|杨月|谭艳|戴中然|甄德帅|李乐

中南大学湘雅医学院公共卫生学院卫生检验检疫系，中国湖南省衡阳市421001

摘要

铀，尤其是以铀酰离子（UO₂²⁺）的形式存在时，由于其高移动性和毒性，对环境和公共健康构成了重大风险。这一问题凸显了开发灵敏可靠检测方法的必要性。在本研究中，我们构建了一种简单新颖的双模式比色和荧光传感器，用于检测UO₂²⁺。该传感器通过将共价有机框架（COFs）与UO₂²⁺特异性DNA酶结合来实现这一目标。在UO₂²⁺存在下，DNA酶被切割成单链DNA（ssDNA），后者通过π–π堆叠作用吸附在COFs表面。这种吸附显著增强了COFs的过氧化物酶样活性，从而放大了比色信号。同时，标记在ssDNA上的罗丹明B的荧光通过静态猝灭机制被COFs有效抑制。在优化条件下，比色模式的检测范围为1至160 nmol/L，检测限为0.975 nmol/L；荧光模式的检测范围为0.06至50 nmol/L，检测限为0.058 nmol/L。该传感器表现出高选择性和抗干扰性能。通过对实际水样的分析，验证了其实际应用潜力，为生态安全和公共卫生保护提供了有力支持。

引言

铀作为一种重要的核燃料，广泛应用于核电生产、军事工业和放射医学等领域。在自然环境中，铀主要以铀酰离子（UO₂²⁺的形式存在，这种物质具有高度的化学稳定性和显著的生物毒性。长期暴露于UO₂²⁺会对人类健康和生态系统造成严重威胁[1],[2],[3],[4]。鉴于核工业的持续发展，尤其是在铀矿开采和核废料管理方面，UO₂²⁺释放到地表水和地下水中的问题在铀提取、核燃料处理和放射性废物处置相关领域日益突出[5],[6]。因此，迫切需要开发灵敏、快速且易于使用的UO₂²⁺检测方法，以支持有效的环境监测和确保核安全。

传统的铀检测方法，如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）[7]、α或γ光谱[8]和UV–Vis分光光度法[9]，因其高精度和灵敏度而被广泛使用。然而，这些方法通常受限于昂贵的仪器、复杂的操作程序和较长的分析时间，限制了其在现场实时监测和大规模环境筛查中的实用性。为此，研究人员基于分析化学和材料科学的最新进展，探索了基于比色、荧光[10],[11]、电化学和分子印迹聚合物（MIP）[12],[13],[14],[15],[16]的替代策略。尽管这些方法在简化操作、提高灵敏度和选择性方面有所改进，但大多数仍依赖于单一输出信号。这一局限性使得它们容易受到环境干扰、操作变化和复杂样品基质的影响，可能导致假阳性或假阴性结果，从而影响测量准确性和可靠性[17],[18],[19]。

目前，多信号输出方法作为提升铀检测性能的有效途径受到越来越多的关注。其中，采用两种互补检测机制的双模式传感器在灵敏度、选择性和抗干扰能力方面具有优势。因此，双模式传感器已被广泛应用于重金属离子的检测[20],[21]。例如，熊等人开发了一种结合荧光和比色信号的双模式传感器，用于检测UO₂²⁺，检测限分别为20.2 nmol/L和27.8 nmol/L[22]；孙等人构建了一种基于Fe₃O₄-Au@CdTe卫星结构的荧光和SERS双模式传感器，其荧光检测限低至1.2 nmol/L，并能在828 cm^-1处进行SERS检测[23]。上述研究突显了双模式传感平台的显著优势。然而，所使用的材料往往需要复杂的多步合成过程。因此，亟需开发出合成简单且性能优异的新材料，以实现UO₂²⁺的灵敏可靠检测。

共价有机框架（COFs）是由轻元素通过共价键连接而成的高度有序的多孔晶体材料。COFs表现出出色的稳定性、结构可调性和功能多样性，因此在传感、药物递送和催化领域得到广泛应用[24],[25],[26]。特别是其丰富的π共轭结构、明确的孔结构和可定制的活性位点，使其成为高性能传感器的理想选择[27],[28]。在UO₂²⁺检测中，通常通过在其孔表面或框架结构上引入磷酸基团、羧基或氨基肟基团等特定结合基团来对其进行功能化[29],[30]。在我们的传感系统中，COFs的多孔π共轭结构促进了与单链DNA的强界面相互作用，从而便于DNA酶探针的吸附和调控。此外，其固有的酶样活性有助于信号放大，并与设计的传感机制高度兼容。同时，其荧光猝灭能力进一步支持了双模式传感平台的构建。UO₂²⁺的捕获会引发可测量的信号变化。尽管这些修饰策略表现出良好的传感性能，但它们往往受到复杂合成过程和较低选择性的限制，因为功能基团也可能与其他金属离子发生相互作用，导致干扰。为克服这些限制，我们团队之前开发了一种基于合成的AuNCs@COFs和适配体的双模式比色和电化学传感器，用于UO₂²⁺检测[31]。适配体在AuNCs@COFs表面的吸附和脱附有效调节了电导率和类过氧化物酶催化活性，显著提高了UO₂²⁺识别的选择性。这项工作不仅证明了功能性核酸调控的COFs平台能够高选择性检测UO₂²⁺，还为开发先进的基于COFs的生物传感器开辟了新途径。然而，功能性核酸与COFs在双模式传感器中的整合仍需进一步探索，尤其是在UO₂²⁺检测方面。因此，进一步研究功能性核酸整合的COFs是构建高选择性稳定双模式传感器的有效方向。

本文开发了一种新型双模式传感器，用于水环境中UO₂²⁺的比色和荧光检测。该传感器结合了COFs的结构优势和UO₂²⁺特异性DNA酶的分子识别能力，实现了同时获取双信号，从而实现可靠监测。当UO₂²⁺加入时，DNA酶被切割，释放出标记有罗丹明的单链DNA（ssDNA）片段，这些片段通过π–π堆叠作用立即吸附在COFs表面。重要的是，这种吸附同时增强了COFs的过氧化物酶样活性，产生比色信号，并有效抑制了罗丹明的荧光，实现了荧光检测。这种集成方法具有多项优势：DNA酶既作为UO₂²⁺的高选择性识别元件，又将目标结合转化为结构变化；COFs则作为多功能支架，不仅固定了切割的ssDNA片段，还通过其荧光猝灭和酶模拟催化特性放大了信号。DNA酶与COFs之间的协同作用赋予了传感平台高选择性、灵敏度和稳健性。与单模式传感器相比，双模式方法提高了检测可靠性。此外，该方法操作步骤简单，在复杂水样中表现稳健，展示了其在实际环境监测中的应用潜力。

COFs的合成

COFs的合成遵循了先前报道的程序，并进行了少量修改[32]。简要来说，将1,3,5-三(4-氨基苯)苯（123.4 mg，0.35 mmol/L）和2,5-二甲氧基对苯二甲醛（107 mg，0.50 mmol/L）与聚乙烯吡咯烷酮（0.25 g）一起分散在乙腈（125 mL）中。经过10分钟超声处理后得到均匀溶液，然后加入冰醋酸（0.625 mL，11 mmol/L）作为调节剂，并在室温下搅拌12小时。

UO₂²⁺双模式检测原理

在本研究中，通过结合COFs和DNA酶构建了一种新型简单双模式传感器，用于检测水中的UO₂²⁺。COFs既作为类过氧化物酶催化剂，又作为荧光猝灭剂；DNA酶则用于特异性识别UO₂²⁺并调节信号。如方案1所示，COFs通过Schiff碱缩合反应合成，形成π共轭框架，从而实现ssDNA的π–π堆叠吸附。

结论

本文构建了一种简单新颖的双模式传感器，用于检测UO₂²⁺。该传感器结合了COFs和UO₂²⁺特异性DNA酶，表现出优异的分析性能，包括低检测限和宽线性范围。具体而言，比色模式的检测范围为1至160 nmol/L，检测限为0.975 nmol/L；荧光模式的检测范围为0.06至50 nmol/L，检测限为0.058 nmol/L。

CRediT作者贡献声明

郭庆琴：撰写——原始草稿、可视化、数据分析。刘金全：撰写——审稿与编辑、监督、概念设计。徐东云：撰写——审稿与编辑、监督。刘思如：方法学研究、实验设计。张海云：结果验证。杨月：结果验证。谭艳：资源准备。戴中然：资源准备。甄德帅：资源准备。李乐：监督、资源管理、概念设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：12175103和82304195）和湖南省自然科学基金（编号：2023JJ50127）的支持。