石墨炔基自供能传感平台的构建及microRNAs灵敏检测.pdf

摘要

MicroRNAs（miRNAs）与肿瘤的形成、发展、转移等各个环节息息相关。然

而，由于microRNAs具有序列短和易降解的特点，且在细胞中表达水平低，对体外

研究环境要求苛刻，导致其分析研究面临巨大挑战。基于酶生物燃料电池的自供能

生物传感器具有无需外加电源、燃料来源广泛、设备构造简单、抗干扰能力强等独

特优势，在环境监测和生物分析等方面极具研究价值。但由于蛋白壳层的阻隔，自

供能传感平台的活性位点通常远离电极表面，导致该传感系统电池密度低、功率密

度低、稳定性差。作为碳材料家族的璀璨新星，石墨炔具有生物相容性好、比表面

积大、导电性佳和活性位点丰富等特点，可作为理想的酶底物材料用于提升酶负载

量和传感界面电子传递速率。目前，为了实现高选择性目标识别和高灵敏度目标检

测，多种生物放大技术已广泛应用于生物传感器中。本论文的主要工作是基于新型

纳米材料石墨炔结合如核酸扩增、DNA纳米机器和基因编辑等生物放大技术，同

时外接超级电容器辅助进行物理信号放大，并利用智能手机读取信号响应，构建了

高特异性、高灵敏的自供能生物传感器用于癌症标志物实时、便携化检测。

1．与单信号放大策略相比，将多个信号放大策略结合能提供足够的灵敏度与

效率。制备了具有良好热稳性和高电子迁移率的超薄石墨炔纳米材料，利用3DDNA

Walker介导的CRISPR/Cas12a级联信号放大策略，构建了一种灵敏的自供能生物传

感器用于灵敏检测miRNA-141，并探索其相关电极反应和信号放大机制。在0.50−1.0

4

×10fmol/L的线性范围内，传感器检出限低至0.14fmol/L（S/N=3）。此外，利用

智能手机读取瞬时电流信号响应，实现了对miRNA-141的实时检测，有望为癌症

患者的早期诊断和预后提供有效方法。

2．同时检测两种肿瘤标志物miRNAs对于实现高灵敏度的分析，提高肿瘤早

期诊断准确性具有重要意义。利用新型薄层石墨炔纳米材料良好的电化学活性和适

配体特异性识别功能构建了自供能生物传感器，以灵敏检测两种miRNAs。结果表

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明，miRNA-21和miRNA-141在0.050−1.0×10和1.0−1.0×10fmol/L的线性范围

内，检出限分别为0.02和0.3fmol/L（S/N=3）。构建的传感平台提高了肿瘤早期诊

断的灵敏性，在早期肿瘤诊断中具有广阔的应用前景。

3．基于纸基的分析设备与电化学检测的结合可允许更快的响应和更高的灵敏

度，以更好的满足智能便携式等特点。通过将自供能生物传感器集成到纸质电极上，

建立了一种便携化传感技术，用于检测复杂样品中的两种肿瘤标志物miRNAs。采

用高性能超薄石墨炔作为电极基底，用于增加酶负荷，加快电子传递速率，显著提

高检测灵敏度。同源DNA纳米机器巧妙地利用信号开关循环和放大靶miRNAs。

智能手机接收实时瞬时电流值，实现双目标检测。结果表明，在0.050−1.0×104和

4

0.10−1.0×10fmol/L的线性范围内，miRNA-21和miRNA-155的检出限分别为0.017

和0.15fmol/L（S/N=3）。构建的纸质传感平台为可穿戴、便携、实时生物传感提

供新的思路。

关键词：自供能生物传感器；石墨炔；生物放大策略；microRNAs灵敏检测

Abstract

MicroRNAs(miRNAs)arecloselyrelatedtotheformation,developmentand

metastasisoftumors.However,duetotheshortsequenceandeasydegradationof

miRNAs,andthelowexpressionlevel