基于HCR驱动的界面重构技术，用于检测APE1的DNA立方体门控比率型ECL/SERS生物传感器

《Biosensors and Bioelectronics》：DNA Cube–Gated Ratiometric ECL/SERS Biosensor for APE1 via HCR-Driven Interfacial Reconstruction

　　

廖秋娇|唐强|黄佩健|江金辉|魏彪|龚元勋|任浩珍|黄龙健|唐倩丽|张凯|廖先久

广西医科大学民族附属医院骨与关节退行性疾病临床前与转化研究重点实验室联合外科与老年骨科部门，中国广西百色533000

摘要

开发了一种双模式比率电化学发光/表面增强拉曼散射（ECL/SERS）生物传感器，用于灵敏监测脱嘌呤/脱嘧啶内切酶1（APE1）的活性。该传感器采用分层Ti₃C₂/CsPbBr₃@PDA@Au纳米复合材料作为集成换能器：导电的Ti₃C₂ MXene实现高效电荷传输，CsPbBr₃作为阳极ECL发光体，而PDA稳定的Au结构域提供等离子体热点和DNA固定的Au–S锚点。在Au修饰的界面组装了一个线框DNA立方体，并进一步通过发夹捕获模块进行功能化，以实现低背景的门控结构。当APE1切割AP位点底物时，会生成一个引发剂，触发杂交链反应（HCR）放大，产生长DNA串联体，随后被立方体-发夹支架捕获。这种编程捕获机制重构了电极附近的微环境，产生反相关的输出：ECL逐渐减弱（“ECL-off”）伴随着SERS增强（“SERS-on”）。比率读数定义为$$' role="presentation">$$，从而实现自参考量化，并提高了对基线漂移和电极间变异的容忍度。该传感器对APE1的检测范围广泛（1×10^-8-1×10^-2 U/mL），并通过选择性、重复性、制备再现性、操作/存储稳定性以及基于拉曼映射的均匀性评估得到了进一步验证。这项工作建立了一种因果锁定的放大-捕获策略，将DNA修复酶活性与钙钛矿-等离子体双模式界面相结合，为在复杂基质中进行比率生物传感提供了有用的设计概念。

引言

脱嘌呤/脱嘧啶内切酶1（APE1）是一种关键的DNA修复酶，能够识别并切割基因组DNA中的非碱基（AP）位点，从而启动碱基切除修复并维持基因组稳定性。（Liang等人，2026b）APE1表达和活性的失调与氧化应激、炎症相关组织损伤以及多种癌症类型有关，因此其酶活性作为功能性生物标志物和治疗相关靶点一直受到关注。（Caston等人，2021；Fishel和Kelley，2007；Shah等人，2017）重要的是，越来越多的证据表明APE1介导的DNA修复和氧化还原调节与肌肉骨骼疾病有关，其中持续的氧化应激和慢性炎症会导致骨关节炎软骨退化、骨重塑受损（例如骨质疏松症）以及骨折愈合延迟。（R. Kelley等人，2012）然而，在复杂样品中可靠地量化APE1仍然具有挑战性，因为酶水平通常较低，基质背景不均匀，传统的单模式读数会受到基线漂移和电极间变异的影响。（Liu等人，2025）这些实际限制促使人们开发出将APE1活性转化为放大分子事件的传感策略，并同时提供内部参考以实现稳健的量化。（Liu等人，2022）

电化学发光（ECL）生物传感在酶检测中具有显著优势，包括低光学背景、高灵敏度和易于与电化学控制集成。（Guo等人，2025；Hu等人，2025；Liang等人，2025）同时，表面增强拉曼散射（SERS）提供了具有超高灵敏度和空间分辨能力的分子特异性振动指纹，可以直接评估纳米结构基底上的信号均匀性。（Ding等人，2016）因此，将ECL与SERS结合成双模式平台可以结合两种模式的优点，并且重要的是，能够实现比率自校准，以抑制由激发效率、界面润湿、局部热点异质性和设备间制造差异引起的共模波动。（Nong等人，2026；Su等人，2017；Zhang等人，2021；Zhou等人，2021）尽管有这些优势，设计一个具有可预测反相关输出和明确生化因果关系的双模式ECL/SERS传感器仍然非易事，因为ECL发射层、等离子体热点和DNA反应网络必须在单个电极涂层中共同设计。

在这里，我们报道了一种用于APE1活性的双模式比率生物传感器，该传感器将导电的Ti₃C₂ MXene框架与CsPbBr₃钙钛矿ECL发光体结合，后者由多巴胺（PDA）壳稳定，并用Au纳米颗粒装饰，形成Ti₃C₂/CsPbBr₃@PDA@Au纳米复合材料界面。（Li等人，2025；Liang等人，2026a；Liang等人，2026b；Wu等人，2025；Zhang，2025）在这种分层涂层中，Ti₃C₂ MXene确保快速电荷传输和稳定的薄膜形成，CsPbBr₃提供高效的阳极ECL发射，PDA提高水中的稳定性并提供化学锚点，离散的Au结构域生成等离子体热点，同时提供DNA固定的Au–S位点。（Peng等人，2025；Shang等人，2025）在Au修饰的表面上组装了一个线框DNA立方体作为可编程支架，并在立方体上引入了发夹捕获模块，以实现低背景的“关闭”状态，同时允许激活后扩增产物的对接。（Ge等人，2014；Yan等人，2025）当APE1切割AP位点底物时，会生成一个引发剂，触发杂交链反应（HCR），产生长DNA串联体，这些串联体被立方体-发夹界面有效捕获。（Dirks和Pierce，2004；Song等人，2022；Yin等人，2008）这种编程捕获将报告基因富集到等离子体热点中，激活SERS，同时增加界面核酸拥挤和邻近依赖的淬灭/阻断效应，从而抑制ECL，产生反相关的“ECL-off/SERS-on”响应。

为了提高定量稳健性，定义了比率读数$$' role="presentation">$$，该读数随APE1浓度单调增加，并相对于单一通道增强了浓度依赖的对比度。分析性能在广泛的活性范围内得到了验证，实际应用性还通过选择性、重复性、制备再现性、操作/存储稳定性以及基于拉曼映射的空间均匀性的系统评估得到了进一步支持。通过将APE1触发的放大/捕获程序与共同设计的钙钛矿-等离子体换能器和DNA立方体支架结合，这项工作为构建具有比率自参考功能的因果锁定双模式生物传感器提供了可适应的设计概念，以便在复杂环境中可靠地监测酶活性。

章节片段

设计与工作原理

所提出的生物传感器是一种反相关的双模式ECL/SERS平台，用于基于活性的脱嘌呤/脱嘧啶内切酶1（APE1）检测。该设计将APE1识别模块与纳米结构电极上的可编程核酸组装过程相结合，使得相同的酶促事件同时抑制电化学发光（ECL）输出并增强表面增强拉曼散射（SERS）输出。这种双向读数提供了内部

结论

在这项工作中，我们开发了一种双模式比率ECL/SERS生物传感器，通过将Ti₃C₂/CsPbBr₃@PDA@Au纳米复合材料换能器与可编程DNA立方体界面相结合，实现了对APE1活性的灵敏可靠监测。这种分层涂层结合了Ti₃C₂ MXene的导电性、CsPbBr₃的阳极ECL发射以及Au衍生的等离子体热点和Au–S锚点，实现了ECL的共定位生成、SERS增强和在单个

利益冲突声明

所有作者均未披露任何可能影响本文工作的相关利益关系。

CRediT作者贡献声明

唐强：验证、监督、软件、研究、数据分析。廖秋娇：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、方法学、数据管理、概念化。江金辉：验证、资源、方法学、数据分析、概念化。黄佩健：监督、软件、资源、项目管理、资金获取。唐倩丽：软件、资源、项目管理、方法学。廖先久：验证、软件、项目

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

5. 致谢

我们衷心感谢国家自然科学基金（82260532）、广西自然科学基金（2025GXNSFHA069115）、生命科学分析化学国家重点实验室（SKLACLS2314）、广西骨与关节退行性疾病基础与转化研究重点实验室（21-220-06-202205）、百色生物医学分析化学与临床分子诊断重点实验室（2022-38-05）的财政支持；