一步到位!可控自清洁纸基传感器快速检测金葡萄球菌

引言

金葡萄球菌(Staphylococcus aureus, SA)是一种危险的细菌,广泛存在于自然环境中,对人类和动物健康构成严重威胁。SA具有强大的适应能力,能够耐受宽范围的pH值、温度和湿度。此外,SA还可以分泌多种毒素和酶,干扰宿主免疫系统,引发皮肤感染、肺炎、骨髓炎等严重疾病。世界卫生组织高度重视SA,并将其列为重点防控对象。目前的检测方法,如PCR和ELISA,存在检测时间长、假阳性高等问题,亟需开发一种简单、快速、灵敏的新方法。

纸基场效应晶体管为点样诊断提供了理想的分析平台,具有成本低、易制备、可降解等优势。但由于纸基自身的亲水性,容易吸附水和有机物,影响机械性能和检测灵敏度。聚合物纳米复合材料结合等离子体处理是一种新方法,可实现纸基亲疏水性的可控调节,提高自清洁性能。单壁碳纳米管(SWNTs)是纳米电子学领域的热点材料,具有出色的电学性能。RNA切割DNAzyme (RCD)能够高度特异性地识别细菌,但现有检测装置灵敏度较低,限制了其应用。基于DNA origami技术,可以设计出具备高灵敏度的DNA纳米结构。

本研究制备了可控自清洁的纸基场效应晶体管,采用纸基材料和s-SWNT作为敏感材料,整碳纳米薄膜线作为电极。通过合成聚合物PTS和等离子体处理,实现了纸基亲疏水性的可控调节。同时,基于DNA origami技术,设计并制备了具有高灵敏度的RCD-Nanotree生物识别结构。该传感器集便携性、低成本、快速、灵敏于一体,为现场快速诊断金葡萄球菌提供了新方案。

1、可控自清洁场效应晶体管的制备与表征

可控自清洁纸基场效应晶体管由过滤保护层和生物传感器组成。聚合物PTS通过与纸基和SWNTs的功能化反应,赋予纸基和SWNTs自清洁性能。具体来说,先在纸基上打印PDMS轮廓形成场效应晶体管结构,用导电墨水过滤制备电极,再将纸基浸入PTS纳米复合物溶液进行修饰。生物识别区域则使用等离子体预处理,提高亲水性。PTS修饰和等离子体处理对纸基亲疏水性的影响,通过调节可实现可控的自清洁性能。

2、SA特异性RCD基DNA纳米树的构建与表征

基于类似DNA origami的技术,设计并制备了一种多层次的RCD-Nanotree生物识别结构。首先将SA特异性的RCD固定在PBASE修饰的s-SWNT上,再通过杂交反应分别与Branch-03和Branch-05结合。进一步与三种Y型DNA分支YA、YB和YC杂交,形成RCD-Nanotree生物传感器。这种基于DNA自组装的纳米结构,能够显著增强RCD的检测灵敏度。

3、RC-FET/s-SWNT/RCD-Nanotree的检测性能

测试结果显示,该RCD-Nanotree生物传感器拥有1-10⁵ CFU/mL的宽线性范围,并能检测到1 CFU/mL的低浓度SA。这得益于可控自清洁纸基提高了生物识别区的亲水性,以及基于DNA origami技术构建的高灵敏度RCD-Nanotree结构。该传感器集便携性、低成本、快速、灵敏于一体,为现场快速诊断金葡萄球菌提供了创新方案。

结论

本研究通过制备可控自清洁的纸基场效应晶体管,并巧妙应用DNA自组装技术构建了高灵敏度的RCD-Nanotree生物识别结构,成功实现了金葡萄球菌的快速、稳定、灵敏检测。该传感器具有宽的检测范围和低的检出限,为临床诊断和食品安全检测等领域提供了一种创新性的解决方案,未来应用前景广阔。

参考文献

Wang, H., Chen, R., He, Y., Zhu, X., Yu, Z., Feng, Z., . . . Xiong, B. (2024). Controllable self-cleaning FET self-assembled RNA-cleaving DNAzyme based DNA nanotree for culture-free Staphylococcus aureus detection. Journal of Nanobiotechnology, 22(1), 414. https://doi.org/10.1186/s12951-024-02682-3.