铅离子（Pb2+）是一种具有高毒性、生物难降解性和生物富集性的重金属污染物，广泛存在于工业废水及农业废弃物中。由于在环境中具有较强的迁移性和累积性，铅可通过空气、水体和食物链等多种途径进入人体，对公共健康和生态环境构成长期威胁。人体一旦长期暴露于铅污染环境中，可能导致多系统损伤，尤其对神经系统、造血系统及肾脏功能产生严重影响。在发育阶段的儿童对铅尤为敏感，铅暴露可引起认知功能下降、注意力缺陷等神经行为异常；孕妇铅中毒则可能导致胎儿发育迟缓、早产甚至流产。茶叶作为世界范围内广泛消费的天然饮品，其品质安全直接关系消费者的健康。茶树在土壤中生长容易吸收重金属离子，茶叶在采摘、加工、运输及包装等环节中可能接触含铅材料，茶叶产品受到铅污染的风险不容忽视。因此，迫切需要开发一种适用于茶叶样品的高效、灵敏、简便的铅离子检测技术，既能为茶叶质量监管提供技术支撑，也有助于保障消费者饮食安全，具有重要的现实意义和应用前景。
目前，Pb2+的检测方法主要依赖于大型仪器分析技术，如原子吸收光谱法、原子荧光光谱法和电感耦合等离子体质谱法等。这些技术虽具有高灵敏度和高度特异性，且已成为实验室中广泛采用的标准方法，但其自身存在设备昂贵、操作复杂、对专业人员依赖性强、样品前处理耗时以及不适于现场快速检测等局限性，难以满足现场便携式、快速检测需求。
近年来，随着分子生物学的快速发展，基于功能性核酸的检测策略在重金属离子检测领域展现出巨大潜力。功能性核酸是一类具有特定识别能力和催化活性的核酸分子，包括适配体（aptamer）和脱氧核酶（DNAzyme）等。其中，DNAzyme由于其良好的金属离子识别能力、可编程性和稳定性，成为构建新型生物传感器的重要识别原件。尤其是具有RNA切割活性的DNAzyme，在特定金属离子，如Pb2+、Cu2+、Ag+等存在下可激活其催化功能，实现对底物链的精确切割。因此，基于DNAzyme构建的金属离子检测体系具有高选择性和灵敏性，且适用于复杂样品的检测。回文结构因其核酸序列对称性和自我互补性，能够在无需外源探针的条件下，通过分子内或分子间碱基配对形成稳定的双链结构。这一特性使得回文结构在核酸结构设计中具有独特优势，并简化了实验设计，提升了构建效率和体系稳定性。与传统DNAzyme检测方法相比，引入回文结构的DNAzyme能够显著增强其稳定性并减少背景信号的干扰。特别是回文结构能够通过自组装形成高效的催化酶活性，并通过回文序列的自我互补性，避免了传统方法的单一淬灭效应问题。合肥工业大学食品与生物工程学院的苏超、彭育勃*、陈伟*等研究将回文序列引入DNAzyme酶链的两端，使DNAzyme能够迅速组装成线性结构，并准确识别Pb2+。由于酶链和底物链分别标记有FAM荧光基团和BHQ1淬灭基团，根据荧光共振能量转移获得低背景信号，能够实现对铅离子的灵敏响应。本研究旨在为构建现场便携式重金属检测平台提供新的技术思路，并且为茶汤等复杂食品基质中的重金属污染监测提供一种高效的技术方案。
01
可行性验证
如图2所示，在未添加靶标Pb2+的情况下，体系中仅产生较低的荧光信号，说明线性回文DNAzyme结构成功组装，底物链上的FAM荧光基团被BHQ1有效淬灭。当体系中加入Pb2+后，底物链上的rA位点（腺嘌呤核糖核苷酸）被特异性识别并切割，导致FAM与BHQ1分离，荧光信号显著增强。该结果表明本方法能够有效响应Pb2+的存在，具备良好的可行性。
02
线性回文组装验证
如图3a所示，1号泳道为常规DNAzyme的酶链（E-DNA）；2号泳道为常规DNAzyme的底物链（S-DNA）；3号泳道为常规DNAzyme混合组装后形成的复合物，出现了一条电泳迁移率明显降低的条带，说明E-DNA与S-DNA成功组装为DNAzyme；4号泳道为在3号泳道体系中加入Pb2+后观察到的条带，出现了相对于3号泳道电泳迁移率增加的条带，表明S-DNA被Pb2+成功切割；5号泳道为回文DNAzyme的酶链（PE-DNA），由于引入了回文结构，其条带位置高于1号泳道条带；6号泳道为与2号泳道相同的S-DNA；7号泳道为PE-DNA与S-DNA共同组装形成的线性回文结构，电泳结果显示一条电泳迁移率明显降低的条带，说明线性回文DNAzyme结构成功组装；8号泳道为在7号泳道体系中加入Pb2+后的结果，出现了一条电泳迁移率增加的新条带，说明底物链被Pb2+特异性切割，且回文结构并未影响DNAzyme的催化活性。
图3b为相对应的荧光检测结果，与线性常规DNAzyme相比，线性回文DNAzyme在未添加Pb2+时表现出更低的背景荧光信号，这主要归因于其回文结构引发的共淬灭效应，酶链上的一个FAM荧光基团同时受到两个BHQ1淬灭基团的作用，从而显著降低了初始背景荧光。当加入Pb2+后，两种体系的荧光信号均显著增强，且增强幅度相近，说明回文结构不会影响DNAzyme的催化活性。上述结果进一步验证了回文结构的引入能够有效降低背景信号，从而提高检测体系的灵敏度和信噪比。
03
回文酶链浓度优化
PE-DNA的浓度是影响背景荧光信号强度的关键因素。如图4a所示，当PE-DNA浓度过低，体系中BHQ1的含量不足，导致FAM荧光基团未被充分淬灭，从而产生较高的背景信号。随着PE-DNA浓度的升高，BHQ1数量增加，共淬灭效应增强，背景信号逐渐降低。然而，当浓度过高时，体系可能出现非特异性自切割现象，反而导致背景荧光强度升高。相对应的信噪比如图4b所示，在4 μmol/L时信噪比达到最大值，最终选择4 μmol/L作为最佳反应浓度。
04
底物链浓度优化
S-DNA的浓度是影响荧光信号输出的关键因素。如图5a所示，当S-DNA浓度较低时，体系中FAM荧光基团的含量较低，导致无论是背景信号还是在Pb2+存在下的阳性信号均较低。随着浓度升高，体系中FAM标记数量增加，背景信号和阳性信号也相应增强。然而，当浓度过高时，则影响DNAzyme切割效率。相对应的信噪比如图5b所示，在2 μmol/L时信噪比达到最大值，最终选择2 μmol/L作为最佳反应浓度。
05
Pb2+切割反应时间优化
Pb2+的反应时间是评估DNAzyme切割效率的重要参数。如图6所示，随着反应时间的延长，荧光信号逐渐增强，当反应时间达到20 min后，荧光信号趋于稳定，延长反应时间对荧光强度的提升已无显著影响，说明体系已基本达到反应平衡。最终选定20 min作为Pb2+切割反应的最佳时间。
06
特异性验证
在上述优化的最佳实验条件下对该系统的特异性进行验证，结果如图7所示。在加入Fe3+、Cu2+、Bi3+、Hg2+、Zn2+等非特异性金属离子（浓度为Pb2+的10 倍）和上述非特异性金属离子混合物（Mix I）时，荧光信号与空白对照组几乎无差异，均维持在较低水平。在体系中加入靶标Pb2+时，荧光信号出现明显增强，在上述所有离子都存在的混合物（Mix II）中也出现了荧光信号明显增强，且与仅有Pb2+时持平。上述结果表明，该DNAzyme传感系统对Pb2+具有良好的识别能力，具备优异的特异性，且能够在复杂的离子中检出Pb2+，具有较强的抗干扰能力。
07
灵敏度验证
灵敏度是评估该DNAzyme传感系统性能的关键参数，如图8a所示，随着Pb2+浓度的逐步升高，荧光信号强度逐渐增强，表现出良好的剂量响应关系。如图8b所示，建立了荧光强度与Pb2+浓度在0.1～100 nmol/L范围内的线性关系，选取线性范围内的10 个浓度点进行线性拟合，得到线性方程为F520 nm＝108+3.64 C（Pb2+），R2＝0.91，根据3σ原则计算，检测限为0.012 nmol/L，显示出本传感系统具有较高的灵敏度，可用于痕量Pb2+的高效检测。
08
实际样本检测
采用加标回收实验的方法，在茶汤基质中分别添加不同浓度的Pb2+进行检测，结果如表2所示，在低浓度（1 nmol/L）、中浓度（10 nmol/L）和高浓度（100 nmol/L）条件下均获得了较高的回收率（96.05%～100.41%），且相对标准偏差均低于6%。尽管茶汤中含有天然的有机物质、色素、茶多酚等成分，这些成分可能会对荧光基团产生微弱的影响，从而导致回收率出现一定的偏差，但整体结果仍在可接受范围内。上述结果表明，该检测方法在实际复杂食品样本中具有良好的准确性与重复性，具备较强的抗基质能力，显示出其在实际食品安全检测中的广泛应用潜力。
09
结论
本研究成功构建了一种基于线性回文DNAzyme的荧光检测平台，用于茶叶中Pb2+的快速检测。通过在DNAzyme酶链两端引入对称回文序列，实现其在无辅助探针条件下自组装成稳定的线性结构，从而增强了体系的结构稳定性并有效降低背景信号。通过优化PE-DNA和S-DNA浓度、反应时间关键参数，进一步提升了检测性能。在最优条件下对Pb2+具有良好的选择性和灵敏度，检测限低至0.012 nmol/L，优于多数传统检测方法。将本方法应用于茶汤样品中，获得了较高的回收率，表明其在复杂食品基质中具有良好的实用性与抗干扰能力。基于该方法的检测平台具有高灵敏度、低成本、操作简便等特点，尤其在茶叶等复杂基质中痕量重金属离子的快速检测方面，展现了广阔的应用前景。同时，可进一步应用于现场检测和便携设备的开发，提供便捷、快速的重金属离子检测方案。
引文格式：
苏超, 彭育勃, 姚柏均, 等. 线性回文脱氧核酶用于茶叶铅离子快速检测[J]. 食品科学, 2026, 47(2): 300-306. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250818-132.
SU Chao, PENG Yubo, YAO Bojun, et al. Linear palindromic DNAzyme for rapid detection of lead ions in tea[J]. Food Science,2026, 47(2): 300-306. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250818-132.
实习编辑：刘芯；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
为系统提升我国食品营养与安全的科技创新策源能力，加速科技成果向现实生产力转化，推动食品产业向绿色化、智能化、高端化转型升级，由北京食品科学研究院、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，合肥工业大学、安徽农业大学、安徽省食品行业协会、安徽大学、合肥大学、合肥师范学院、北京工商大学、中国科技大学附属第一医院临床营养科、安徽粮食工程职业学院、安徽省农科院农产品加工研究所、安徽科技学院、皖西学院、黄山学院、滁州学院、蚌埠学院共同主办的“ 第六届食品科学与人类健康国际研讨会 ”，将于 2026年8月15-16日（8月14日全天报到） 在 中国 安徽 合肥 召开。
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