单颗粒电化学碰撞在复杂样品病毒基因高灵敏检测中的应用

With the development of science and technology, the exploration of life has gone into single-molecule and single-particle level, resulting in tremendous challenges for traditional analytical methods. As an ultrasensitive detection method, single-particle electrochemical collision has made great progress in exploring the dynamic characteristics and physicochemical properties of nanoparticles, but great efforts are still needed in accurate quantification and practical applications. In this proposal, the high sensitivity of single-particle electrochemical collision and the efficient capture ability of magnetic nanospheres are combined for sensitive virus genes detection. On the one hand, the collision rules are studied from the aspects of nanoparticles, ultramicroelectrodes and electroactive probe molecules to improve the collision frequency. Based on the quantitative relationship between collision frequency and particle concentration, virus genes can be sensitively detected. On the other hand, targeting molecules modified magnetic nanospheres have strong magnetic response, dispersibility and stability in complicated matrix, which can achieve specific capture and separation of virus genes and avoid the aggregation of metal nanoparticles. Therefore, this research will greatly promote practical applications of single-particle electrochemical collision and is important for scientific research.

随着科学技术的发展，人们对生命的探究已经深入到单分子、单颗粒水平，这给传统的分析方法带来了极大的挑战。作为一种高灵敏的检测方法，单颗粒电化学碰撞在探究颗粒的动力学特征和物化性质等方面取得了较大进展，但在准确定量和实际应用方面还需要做出巨大努力。本项目拟结合单颗粒电化学碰撞的高灵敏度和磁球的高效分离富集能力，实现复杂样品中病毒基因高灵敏定量检测。一方面，从纳米颗粒、超微电极与电活性探针分子等方面探究碰撞规律，提高碰撞频率，并确定碰撞频率与目标物浓度之间的定量关系，实现病毒基因高灵敏检测；另一方面，利用靶标分子修饰的磁球在复杂样品中仍具有强的磁响应能力、分散性和稳定性，磁球的引入可实现病毒基因特异性捕获分离，避免复杂基质引起金属纳米颗粒的团聚。因此，本项目的研究成果能够在很大程度上推动单颗粒电化学碰撞的实用价值，具有重要的科学意义。

传染性疾病具有强传染性、长潜伏期和高致死率，对人类健康和生命安全存在严重危害。相关标志物的快速、灵敏检测对疾病的早期诊断具有重要意义。因其操作简单、响应快、单粒子水平的超高灵敏度，单颗粒电化学碰撞（SPEC）在疾病标志物高灵敏检测方面具有极大的应用前景。而碰撞频率的提高及标志物的特异性富集是实现灵敏检测的关键。本项目结合SPEC的高灵敏度和磁球的高效分离富集能力，实现复杂样品中疾病标志物的高灵敏检测：（1）采用激光拉制仪和火烧密封法，制备了电化学响应性能优、稳定性好、可重复使用、直径500 nm-25 μm的金微电极和碳纤维电极；（2）合成了粒径均一、分散性好、催化活性高的铂纳米颗粒（Pt NPs），利用Pt NPs与微电极碰撞后催化水合肼的氧化，实现了单个颗粒碰撞信号的采集与分析；（3）通过优化微电极种类及预处理过程、纳米颗粒的尺寸、电解质溶液的组成、外加电压等，在最大程度上提高碰撞频率；（4）结合信号放大（DNA步行器、核酸酶介导的底物循环、滚环扩增及脂质体的包埋-释放策略）和磁分离策略，构建了一系列新型SPEC生物传感器，将其用于HIV-DNA、microRNA、H9N2禽流感病毒、cTnI等疾病标志物的检测中，检出限分别低至4.86 fM、47 aM、18.1 fg/mL和0.57 fg/mL。进一步将SPEC传感器用于实际病人血样检测，检测结果与临床分析（化学发光法）具有较好的可比性，表明了传感器优异的特异性、抗干扰能力和实用性。本项目的研究成果有望推动SPEC在生物传感方面的准确度和普适性，为疾病早期诊断提供新的思路。