组成图示
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传感器类型
荧光生物传感器
检测对象
铜离子（Cu2+）；样品基质：饮用水（drinking water）
检测原理
传感器由 FAM 标记的 Cu-Sub 与 Cu-Enz 退火形成 Cu2+ 依赖型 DNAzyme。单层石墨烯通过 π-π 堆积吸附 DNAzyme，使 FAM 靠近石墨烯表面，经电子/能量转移被距离无关地淬灭，背景信号低。加入 Cu2+ 后，Cu2+ 与 DNAzyme 结合并催化不可逆切割 Cu-Sub，破坏石墨烯–DNAzyme 自组装构象；切割产生的 FAM 标记片段从石墨烯表面释放，荧光随之恢复。荧光增强幅度与 Cu2+ 浓度相关，无需额外共价淬灭剂，利用 DNA 切割依赖的内部竞争实现石墨烯–DNA 相互作用调控。
检测灵敏度
LOD: 0.365 nM；线性范围: 0–0.05 μM；校准范围: 0.01–1.5 μM；R = 0.997（饮用水）
效应效果
在优化条件下，传感器对 Cu2+ 的荧光响应随浓度增加而增强，1 μM Cu2+ 时荧光增强约 32 倍，高于双淬灭 DNAzyme 信标的 13 倍。Cu-Enz 与 Cu-Sub 1:1 时信噪比 S/B 达 21.2；50 mM NaCl 时 S/B 为 19.7。对 Ba2+、Ca2+、Cd2+、Fe3+、Mn2+、Pb2+、Zn2+、Co2+ 在 0.1 μM 和 10 μM 下均仅有微弱响应，选择性良好。饮用水加标检测线性相关系数 R=0.997，回收率为 94.3–103%。LOD 低于此前 DNAzyme 铜传感器，比双淬灭标记传感器低至少 95 倍，适用于环境水样快速检测。
传感器的构成
- 检测容器/基底：石英比色皿（quartz cell），承载反应液并用于荧光光谱测量
- 纳米材料修饰层：单层石墨烯（graphene sheet，终浓度 19.2 μg/mL），通过 π-π 堆积吸附 DNAzyme，作为距离无关荧光淬灭剂
- 识别元件：Cu2+-dependent DNAzyme（Cu-Sub/Cu-Enz 1:1 退火），识别 Cu2+ 并催化切割 Cu-Sub
- 信号标记物：FAM 荧光基团，标记于 Cu-Sub 3′端，作为荧光信号源
- 反应缓冲体系：50 mM PBS（pH 7.4）、50 mM NaCl、0.2 mM sodium ascorbate，维持 DNAzyme 催化活性与石墨烯分散
- 信号读出：Hitachi F-4500 荧光光谱仪，494 nm 激发、518 nm 发射
中文摘要
本文设计了一种新型“开启型”荧光 Cu2+ 生物传感器，基于石墨烯–DNAzyme 催化信标。二维石墨烯具有独特的表面性质和强淬灭能力，可同时作为 Cu2+ 依赖型 DNAzyme 的“支架”和“淬灭剂”，促进自组装石墨烯淬灭 DNAzyme 复合物形成。当 Cu2+ 存在时，其诱导的催化反应破坏石墨烯–DNAzyme 构象，产生内部 DNA 切割依赖效应，使石墨烯–DNAzyme 中被淬灭的荧光在 15 min 内大部分恢复。与常见 DNAzyme 传感器相比，该石墨烯催化信标显著提高信噪比，从而提升灵敏度（LOD = 0.365 nM）。此外，可控 DNA 切割反应提供了一种有别于以往外部序列特异性杂交依赖调控的内部方法，用于调控石墨烯与 DNA 的相互作用，为核酸研究和传感应用开辟新机会。
英文摘要
A novel and promising "turn-on" fluorescent Cu(2+) biosensor is designed based on graphene-DNAzyme catalytic beacon. Due to the essential surface and quenching properties of two-dimensional graphene, it can function as both "scaffold" and "quencher" of the Cu(2+)-dependent DNAzyme, facilitating the formation of self-assembled graphene-quenched DNAzyme complex. However, Cu(2+)-induced catalytic reaction disturbs the graphene-DNAzyme conformation, which will produce internal DNA cleavage-dependent effect. In this case, the quenched fluorescence in graphene-DNAzyme is quickly recovered to a large extent in 15 min. Compared with common DNAzyme-based sensors, the presented graphene-based catalytic beacon greatly improves the signal-to-background ratio, hence increasing the sensitivity (LOD=0.365 nM). Furthermore, the controllable DNA cleavage reaction provides an original and alternative internal method to regulate the interaction between graphene and DNA relative to the previous external sequence-specific hybridization-dependent regulation, which will open new opportunities for nucleic studies and sensing applications in the future.