2026年5月，大健康研究院食源性功能因子合成生物学联合研究中心刘洪林教授团队在球形核酸瞬时制备及单碱基分辨表面增强拉曼光谱（SERS）测量方法方面取得新进展，在期刊《Advanced Science》发表题为《Ligand-Defined Interfacial Chemistry Enables Instant and Sequence-General DNA Chemisorption on Gold Nanoparticles Toward Label-Free SERS with Single-Base Resolution》的研究论文。该研究提出了一种巧妙的界面化学调控策略。研究团队利用弱电离的抗坏血酸（AA）作为金纳米颗粒的表面配体，有效降低了界面的静电排斥，从而大幅削弱了核酸吸附时的动力学壁垒。借助于这种全新的温和界面，研究人员打破了常规方法的限制-在近中性条件下，仅需简单的涡旋混合与快速脱水，即使是未经修饰（非硫醇化）、且仅含单个末端腺嘌呤的DNA，也能在几秒内实现高密度的吸附。这一突破解决了非硫醇化核酸难以高效修饰的瓶颈，为批量制球形核酸（SNAs）提供了普适性方案。基于该平台，成功实现了具备“单碱基分辨”能力的无标记表面增强拉曼光谱（SERS）检测。这一底层技术有望广泛应用于高灵敏度的早期疾病筛查以及新型便携式生物传感设备的开发，为生命科学与精准医疗领域的临床转化注入全新动力。

图1.AA配体与传统柠檬酸（Cit）配体调控金纳米颗粒表面电荷及DNA即时功能化示意图。

作为纳米生物技术的核心载体，SNAs通常由纳米颗粒核心和外层高密度定向排列的寡核苷酸组成。然而，寡核苷酸作为多聚阴离子，在接近带负电的传统柠檬酸封端金纳米颗粒（Cit-AuNPs）表面时，会受到极强的静电排斥，导致动力学吸附极其困难。尽管目前大多数高密度SNAs依赖端硫醇修饰（Au-S键）来克服这一障碍，但硫醇修饰不仅大幅增加了合成成本与复杂性，且与某些特定的核酸文库不兼容。虽有研究通过盐老、低pH、冷冻或干燥等外部环境调节来迫使核酸吸附，但这些方法普遍存在多步繁琐操作、耗时长、吸附密度不稳定以及严重的序列依赖性（通常需要引入长片段多聚腺嘌呤poly-A或特殊辅助基团）。此外，能实现硫醇化SNAs极速制备的丁醇脱水法，在面对非硫醇化核酸时常因胶体不稳定而失效。因此，如何在温和的近中性条件下，通过直接重构纳米颗粒自身的固有界面属性来实现快速、不限序列的DNA通用化学吸附，一直是核酸纳米材料领域的重大挑战。

图2.硫醇化与非硫醇化核功能化AA-AuNPs。

针对上述痛点，团队创新性地采用弱电离的AA作为还原剂和稳定剂，一步法制备得到AA包被的金纳米颗粒（AA-AuNPs），从界面本征性质改造解决问题。将AA-AuNPs与硫醇化DNA（SH-DNA）混合，仅需进行10秒的简单涡旋混合，即可瞬间在颗粒表面自发形成高度稳定的核酸外壳，所得产物即使在1 M NaCl的高盐环境下也能保持极佳的胶体稳定性与分散性。

图3.核酸在AA-AuNPs表面非共价吸附的分子机制与关键作用位点。

紧接着，团队将目光投向了更具挑战性的非硫醇化核酸自发功能化。荧光猝实验显示，将仅含单个末端腺嘌呤的非硫醇化DNA（A1-DNA-FAM）与AA-AuNPs直接涡旋混合，可引发荧光的瞬间猝灭，而Cit-AuNPs体系的荧光无明显变化，X射线光电子能谱（XPS）也清晰检测到了AA-AuNPs表面上属于核酸特征的N1s和P2p元素信号。表明首次实现了仅含单个末端腺嘌呤的非巯基DNA的功能化，无需长多聚A片段辅助，摆脱了传统方法对特定序列的依赖。

图4.全原子分子动力学（MD）模拟阐明AA介导的电荷-氢键协同吸附机制。

为了阐明核酸在AA-AuNPs表面非共价吸附的分子机制与关键作用位点，团队首先利用四种具有相同骨架、仅末端碱基不同的11位寡核苷酸（A1A10，A1C10，A1G10，A1T10）进行了竞争性吸附试验，明确了腺嘌呤（A）碱基在非共价结合中的显著强于其他碱基，稳定性依A > C > G > T的趋势递减。在此基础上，团队巧妙地利用脱氧肌苷（deoxy-inosine）进行特异性碱基替换，将腺嘌呤经典的N6环外氨基置换为羰基（修饰序列为I1T10）。结果表明，经历相同的丁醇脱水处理后，改性序列直接导致AA-AuNPs发生大面积胶体聚沉，从而在分子层面证实了腺嘌呤的N6环外氨基是介导其与金纳米颗粒表面发生化学配位吸附的关键核心位点。

同时，团队开展了全原子分子动力学（MD）模拟。动力学轨迹显示，在Cit-AuNPs系统中，DNA由于受到剧烈的静电排斥而长期处于游离状态；而在AA-AuNPs系统中，DNA展现出极快的表面接近速率与广泛的接触面积。能量拆解进一步表明，单电离的AA-不仅将界面的静电斥力削减至最低，其分子结构中的丰富羟基还能额外扮演氢键供体的角色，与DNA的磷酸根骨架以及核碱基之间形成方向性的瞬态氢键相互作用。这种电荷调控与氢键辅助结合的强协同耦合机制，从本质上逆转了吸附能量景观，铺平了非修饰核酸无障碍通往金表面的道路。

图5.基于AA-SNAs组装体的无标记高精密 SERS 分析实现单碱基变异鉴别与胞嘧啶甲基化程度定量评估。

该研究跳出了传统SNAs构建“靠调节外部环境参数破局”的思路，从界面配体设计的底层逻辑出发，建立了通用的核酸纳米结构构建框架，为低成本、高灵敏核酸检测技术的开发提供了重要的理论支撑和技术路径。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.75804