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基于新型硫量子点和高效DNA步行器放大策略构建电致化学发光生物传感器实现microRNA灵敏检测

电化学化学发光(ECL)结合了电化学和化学发光技术的特点,具有低背景、高选择性、低检测限和宽响应范围的优点,并且具有近红外ECL发射的材料由于其良好的组织穿透性、可忽略背景干扰和低光化学损伤,在生物医学和诊断领域引起了越来越多的关注。量子点由于其量子尺寸效应、优异的磁性和良好的光电性能,在生物标记、抗菌药物、发光二极管和显示器等领域的应用极为广泛。然而,含重金属的量子点由于潜在毒性和环境危害而限制了它们的应用。因此,近年来,研究人员致力于寻找无毒或无重金属的量子点,特别是一些纯元素的量子点,如碳、硅、磷和硫。在已报道的纯元素量子点中,硫量子点(SQDs)因其良好的水分散性、低毒性、优异的化学性能和良好的生物活性而越来越受到关注。然而,到目前为止,关于SQDs的ECL性能的文献报道却很少。


MicroRNAs (miRNAs)是一种微观而丰富的非编码RNA,其异常表达与许多疾病有关,因此对miRNAs的超敏检测仍有很高的要求。为了提高检测灵敏度,核酸扩增策略被广泛应用,包括链置换扩增(SDA)、催化发夹组装(CHA)、环介导等温扩增(LAMP)等。同时,DNA行走机的构建也是提高检测灵敏度的有效途径。


最近,西南大学袁若点击查看介绍团队通过改变硫量子点的大小和分散性来探索ECL的性能。研究发现,块状的硫点(S dots)ECL性能较差,而用H2O2蚀刻S dots后得到的SQDs具有优异的近红外ECL性能。原因是H2O2改变了S dots的尺寸,使其更加分散,削弱了聚集诱导猝灭效应,且刻蚀改变了SQDs表面状态,明显提高了ECL性能。并且该团队还基于此材料作为发光体,结合一种新颖高效的DNA步行器作为信号放大,构建了一种超灵敏检测癌症标志物miRNA-21的生物传感器。如下图所示,该传感器具有以下特点:首先,以SQDs作为发光体可以得到一个较高的初始信号;其次,可以通过双特异性核酸酶(DSN)的辅助实现目标物循环扩增过程;最后,与普通的基于单链或者双链的DNA步行器相比,该团队设计的高效的DNA步行器以DNA三链体作为轨道,克服了探针缠绕和潜在空间位阻效应等缺点,显著提高了步行器的行走效率,明显增强了信号放大效率,可以极大地提高生物传感器的灵敏度。


因此,设计的ECL生物传感器在20 aM到1 nM的浓度范围内对于miRNA-21表现出了优异的检测性能,且检测限为6.67 aM。值得注意的是,这项工作丰富了纯元素量子点在ECL领域的应用,为临床和生化分析的超敏检测提供了新的途径。


这一研究成果近期发表在Analytical Chemistry 上,文章的第一作者为西南大学化学化工学院的硕士研究生刘琳蕾,西南大学化学化工学院的王海军袁若教授为通讯作者。相关研究工作得到国家自然科学基金委的支持。


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Ultrasensitive Electrochemiluminescence Biosensor Using Sulfur Quantum Dots as Emitter and an Efficient DNA Walking Machine with Triple-Stranded DNA as Signal Amplifier

Linlei Liu, Yue Zhang, Ruo Yuan*, Haijun Wang*

Anal. Chem., 2020, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c03311


导师介绍

袁若

https://www.x-mol.com/university/faculty/13979


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