单实体电化学是近些年发展起来的一种可以用来研究大到细胞、小到分子的单个实体的电化学方法。它的工作原理是当单个实体通过布朗运动扩散到基底电极表面之后，自身发生氧还原反应，或者本身不发生反应，而是催化或阻碍溶液中的电活性物质发生反应，从而产生与该单个实体相关的峰状或台阶状信号。由于碰撞频率与浓度相关，因而单实体电化学也被广泛地应用于生物检测。但是目前已报道的工作中普遍存在着信号转换效率低的问题，即单个疾病标志物对应的可用于碰撞检测的纳米颗粒可能只有一个，这就导致基于单实体电化学的生物传感器的灵敏度不是很理想，仍大多停留在pM的水平。那么发展一种高信号转换效率的单实体电化学生物传感器则成为迫在眉睫的任务。

近日，武汉大学研究团队通过引入双链特异性核酸酶（Duplex-Specific Nuclease，DSN）介导的底物循环放大，建立了一种高信号转换效率的单实体电化学生物传感器，实现了对miRNA-21的高灵敏检测。当目标miRNA存在的时候，它会与探针上的ssDNA互补配对，形成DNA-RNA杂交双链。此时引入DSN则可对DNA-RNA杂交双链中的DNA链进行水解，从而释放出目标miRNA以及近乎裸露的纳米铂，释放下的miRNA可以投入到下一个循环中，从而释放出更多的纳米铂。最终通过对释放下的纳米铂进行磁分离富集，以及后续的碰撞检测来实现对目标miRNA的高灵敏检测。

相比于传统的“一对一”甚至是“多对一”信号的转换，引入DSN介导的底物循环放大可以实现“一对多”的信号转换，信号转换效率提升约4×10⁷倍，最终该工作成功将基于单实体电化学的生物传感器的灵敏度提升了近6个数量级，实际检出限降低至aM水平。本研究巧妙地将DSN介导的底物循环放大引入到基于单实体电化学的生物检测中，大大改善了信号转换效率低的问题，为设计超灵敏的单实体电化学生物传感器提供了新的思路。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是武汉大学博士研究生白乙艳，通讯作者是张志凌教授。

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One-to-Many Single Entity Electrochemistry Biosensing for Ultrasensitive Detection of microRNA

Yi-Yan Bai, Zhen Wu, Chun-Miao Xu, Li Zhang, Jiao Feng, Dai-Wen Pang, Zhi-Ling Zhang

Anal. Chem., 2020, 92, 853-858, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b03492

导师介绍

张志凌

https://www.x-mol.com/university/faculty/13595