纳米电化学的核心问题之一是测量界面的微观化，进而探索和调控纳米尺度下电荷传输和物质传递过程。而微观化引起的电化学限域和界面尺度效应将随之显现。纳米碰撞电化学是利用纳米材料和电极表界面的碰撞信号对纳米材料的性能进行研究的一种均相电化学分析方法。该方法不仅可以在纳米限域尺度内考察纳米材料的物化性质及构效关系，还可以服务于基于单颗粒电分析的生物传感应用。与宏观电化学方法相比，纳米碰撞电化学可以提供单颗粒水平的动态电化学信息，颗粒传质效率的提升可避免传质受限对动力学信息准确提取的影响。因此，其可作为准确分析特定生物分子的有力工具。近年来，纳米碰撞电化学在分析多种生物待测物方面得到了诸多应用，包括核酸、蛋白、脂质体、细胞、细菌、病毒等，具有广阔的应用前景。
近期，苏州医工所缪鹏研究员课题组发展了银纳米颗粒/DNA水凝胶组装体系，基于银纳米颗粒在多硫化物层的电化学氧化设计了一种新型的纳米碰撞电化学传感策略：通过CRISPR/Cas响应的DNA水凝胶和级联DNA链置换信号放大，在丝网印刷电极表面实现了目标核酸的无标记电化学检测（图1）。当目标序列存在时，通过链置换和催化发卡组装可以获得包含原间隔相邻基序的双链DNA，激活CRISPR/Cas12，进而反式切割DNA水凝胶中的连接单链。通过凝胶到流体的相变，实现银纳米颗粒的释放。丝网印刷电极表面修饰的金层和多硫化物层能够显著增强银纳米颗粒的电化学氧化动力学，从而提高有效碰撞频率（图2）。该方法通过采集碰撞频率信息进行目标核酸的量化，克服了电流波动和纳米颗粒异质性的干扰，并在生物样本测试中表现出高度特异性和稳定性，对miR-141的检测限低至4.21aM（图3）。本工作中发展的纳米碰撞电化学传感器具有较高的灵敏度，能够为核酸分析及临床诊断提供有力的工具。
相关结果已发表在Nano Letters, 2023, 23, 11099 (中国科学院一区)。博士研究生郭嘉荣为第一作者，缪鹏研究员为通讯作者。该工作受江苏省杰出青年基金（BK20220048）的资助。
论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c03448
图1 基于纳米碰撞电化学策略的高灵敏核酸检测示意图
图2 丝网印刷电极的修饰和银纳米颗粒的电化学碰撞
图3 用于目标miRNA检测的灵敏度、选择性及生物样本分析
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