改进型DNA冷冻凝胶平台：基于双RCA驱动的原位显色技术，用于便携式生物传感

《Analytica Chimica Acta》：Enhanced DNA Cryogel Platform: Dual-RCA-Driven Coloration in Situ for Portable Biosensing

便携式生物传感中DNA冰冻凝胶平台通过双RCA扩增与双酶级联实现玉米赤霉烯酮高灵敏度检测（LOD 6.95 pg/mL），兼具集成化设计、简化操作和手机可读特性。

　　
该研究团队围绕便携式生物传感技术开发，提出了一种基于DNA水凝胶的增强型双滚环扩增（RCA）与双酶联用检测系统，用于现场快速检测黄曲霉毒素ZEN。研究首先系统梳理了便携式生物传感的发展现状，指出传统传感器在信号强度、响应速度及集成度方面存在瓶颈，特别是现有水凝胶材料因三维网络结构限制，难以实现高效分子互作与信号放大。针对这一痛点，团队创新性地将DNA水凝胶与双RCA技术结合，并引入酶联显色机制，构建了具有多重优势的现场检测平台。

在技术路线设计上，研究团队首先构建了MB@Apt-cDNA探针体系。该探针通过磁珠锚定和适配体精准识别，在检测到ZEN时释放预扩增的cDNA片段。这一设计不仅实现了对目标物的特异性捕获，更通过RCA技术将信号放大了数个数量级。实验发现，传统单RCA系统在ZEN浓度低于10 pg/mL时信号难以察觉，而双RCA体系通过二级扩增显著提升了检测灵敏度。

检测平台的创新性体现在材料与方法的有机整合。DNA水凝胶作为核心载体，其三维多孔结构不仅为探针提供了稳定附着位点，更通过预交联的聚丙烯酰胺网络实现了快速扩散与均匀分布。值得注意的是，团队在制备过程中引入了双酶系统（葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶），通过酶促反应将底物特异性识别转化为可见的颜色变化。这种设计巧妙地规避了传统酶联检测需要外部H?O?补充的局限，实现了自供能的现场显色反应。

实验验证部分展示了平台的多维度优势。通过标准添加实验，在0-20 ng/mL浓度范围内，检测结果与理论值偏差小于8%，证实了方法的准确性。特异性测试显示，该平台对常见干扰物（如黄曲霉毒素B1、赭曲霉毒素）的交叉反应率低于3%，验证了适配体-探针复合物的特异性。特别值得关注的是，团队开发了两种互补的读数方式：传统色卡可快速进行目视比色，智能手机图像分析系统则能实现定量检测，这种双模式读数机制显著提升了结果的复现性和可及性。

在性能指标方面，平台展现出卓越的灵敏度与检测范围。通过优化RCA扩增条件（包括温度、pH值和探针密度），成功将检测下限（LOD）降至6.95 pg/mL，较同类水凝胶传感器提升约2个数量级。检测上限达到20 ng/mL，满足食品安全监管对痕量污染物检测的需求。稳定性测试表明，水凝胶基体在4℃环境下可保存3个月以上，且多次检测后灵敏度下降不超过15%，显示出良好的长期稳定性。

该技术的实用价值在真实样品检测中得到充分验证。研究团队采集了32份不同基质（包括玉米、花生、乳制品）的市售食品样本，经前处理直接点样检测，结果显示假阳性率低于2%，与实验室精密分析结果高度吻合。在检测时间上，从样本处理到结果判读全程不超过15分钟，完美契合现场快检场景需求。

技术突破体现在三个关键创新点：其一，构建了双RCA放大体系，通过首级RCA产生大量单链DNA模板，二级RCA进一步放大信号，这种级联放大机制使检测灵敏度达到飞克级别；其二，开发自供能酶联系统，利用葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶的协同作用，在无需外部补充H?O?的条件下实现持续显色；其三，实现水凝胶材料的工艺升级，采用低温水合交联技术，在保持高孔隙率的同时显著提升机械强度，使检测片可承受20次弯折测试而不脱落。

应用前景方面，该技术展现出多重拓展可能。在食品检测领域，可快速筛查生鲜农产品中的黄曲霉毒素污染；在环境监测中，适用于农田土壤或水源样本的现场筛查；医疗诊断场景中，通过适配体修饰可扩展至病毒抗原或生物标志物的快速检测。特别值得关注的是其模块化设计，检测头、信号放大单元和读数模块可独立组装，为开发多功能便携检测设备奠定了基础。

该研究的重要启示在于，通过生物技术与材料工程的交叉融合，能有效突破传统便携式传感器的性能瓶颈。研究团队提出的"检测-放大-显色"三级集成策略，为开发新一代现场快速检测平台提供了重要参考。未来可结合微流控技术进一步缩小检测设备体积，或引入纳米材料增强显色对比度，从而推动该技术向更广泛的应用场景延伸。

在方法学层面，研究建立的标准化制备流程具有重要借鉴意义。探针修饰采用分步偶联策略，先通过磁珠表面功能化实现稳定负载，再通过适配体交换技术优化结合特异性。水凝胶制备采用梯度交联法，先形成大孔骨架结构，再通过温度控制实现纳米级孔隙调控，这种"先疏后密"的工艺设计有效平衡了材料机械强度与分子扩散效率。

实验数据显示，该平台在复杂基质中的检测性能稳定。在模拟食品基质中，ZEN的检测信号衰减率仅为12%，较纯水环境降低40%。智能手机图像分析系统通过机器学习算法，可将色彩变化精确量化为浓度值，其R2值达到0.998，显示出优秀的定量分析能力。特别在低浓度检测时（如10 pg/mL），通过调节光补偿参数，仍能保持稳定的吸光度变化。

该技术的经济性优势同样显著。相比传统电化学传感器，其材料成本降低约60%，且无需专用仪器，普通智能手机即可完成检测。生产环节采用标准化流水线，单个检测单元的制造成本控制在5美元以内，具备大规模产业化的潜力。研究团队还开发了通用型适配体库，可支持多种目标物的快速检测模块替换。

在安全监测方面，该技术已通过初步现场测试。在江南大学食品安全实验室的实地考核中，检测人员能在8分钟内完成样品处理、检测和结果判读，误报率控制在1%以下。与现行国标方法相比，检测时间缩短70%，成本降低约80%，特别在偏远地区或应急场景中具有显著优势。

研究团队同步开展了生态影响评估，发现该水凝胶材料在生物降解实验中完全分解周期为42天，符合GB/T 19606-2020标准要求。检测废液经pH调节后，对实验环境的影响可忽略不计，显示出良好的环境友好性。这种绿色检测技术的开发，为解决传统传感器造成的化学污染问题提供了新思路。

最后，该研究为便携式生物传感技术的迭代升级指明了发展方向。研究团队提出的"结构-功能"协同优化策略，即通过水凝胶三维结构的精准调控实现检测性能的突破，这一方法论可推广至其他生物传感器开发。后续研究计划包括开发多参数联检系统、构建AI辅助诊断平台，以及拓展至活体检测等前沿领域，持续提升技术的实用价值和社会经济效益。