液态摩擦纳米发电机驱动的DNA条形码检测技术：开启物种鉴定新纪元

研究背景

随着人类经济活动的大规模发展，生物多样性可能受到威胁，所以对物种的鉴定至关重要。常规的物种鉴定需要分类学专家区分其物理生物的形态太正，非常耗时，并且容易出错。近年来，DNA条形码作为一种新型的物种鉴定分子工具被广泛研究，其具有客观、准确、耗时短等诸多优点。

为了快速准确地检测用于物种鉴定的 DNA 条形码，基于不同的转导机制，人们提出了各种生物传感器。基于 TENG 的新兴生物传感器能够轻松地将微小的机械刺激转化为电能，引起了广泛关注。与传统生物传感器相比，基于 TENG 的生物传感器不仅消除了对笨重和昂贵的检测仪器的需求，也可以在没有电源的情况下产生信号。上述独特的特性使基于 TENG 的生物传感器便携、易于作、成本低、能耗高。到目前为止，以前大多数基于 TENG 的生物传感器都是基于接触分离模式 TENG 设计的，重复的接触分离工作模式可能会破坏机械力吸收在摩擦层上的分子或电晕放电，严重恶化了基于 TENG 的生物传感器的灵敏度和使用寿命。因此，开发一种新型耐用的基于 TENG 的 DNA 条形码检测传感器势在必行。

与固-固 TENG 相比，液-固 TENG由于其低摩擦和长使用寿命，因此被设计用于各种类型的传感器，。在本研究中，开发了一种基于液-固 TENG 的 DNA 条形码检测传感器，该传感器由微流体、流体通道和 PDMS 薄膜组成，带有捕获探针和信号探针，用于区分Alvinocaris muricola。

研究原理

图1 基于液态-固体TENG的DNA条形码检测的概念、结构和原理

图2 分析液态-固体TENG传感器的工作机制

该TENG设备由PDMS摩擦层、铜电极和流体通道组成（图1c）。当水流经PDMS表面时，水分子与PDMS发生电子转移（图2 b）：接触阶段：水分子失去电子带正电，PDMS获得电子带负电;分离阶段：水流离开PDMS表面，电荷分离形成电势差，驱动电子在电极与地之间流动，产生脉冲电流信号（图2 a）。通过COMSOL模拟（图2d）和密度泛函理论（DFT）计算，团队揭示了水流动态覆盖电极时电荷分布的变化规律，为信号输出提供了理论支撑。

传感器表面通过化学修饰固定捕获探针（靶向Alvinocaris muricola的DNA条形码），并引入AuNPs标记的信号探针（图1c）：当靶DNA存在时，捕获探针→靶DNA→信号探针（AuNPs）形成三明治结构。AuNPs显著降低PDMS表面电荷密度，导致TENG输出电流峰值降低。而当非靶DNA未结合时，PDMS表面电荷密度不变，电流信号维持较高水平。所以通过电流峰值差异，可精准区分目标物种与其他近缘种。

研究亮点

（1）首次将液态-固体TENG应用于DNA检测，突破传统固体-固体TENG因机械接触导致的分子损伤限制，提升传感器稳定性和寿命（图1c, 2c-d）

（2）检测限低至1 pM，媲美电化学传感器，但无需外接电源或复杂设备，仅需微型注射泵和电流计（图1b）

（3）在实际样本检测中，能够特异性区分目标物种与近缘种，目标物种的峰值电流显著低于非靶物种，信噪比超过5:1（图3 c）

图3 不同条件下的电荷密度

总结与讨论

此项研究开发了一种基于液固 TENG 的 DNA 条形码检测生物传感器，用于物种鉴定。液-固 TENG 的摩擦层（PDMS 膜）由捕获探针化学偶联，能够特异性识别Alvinocaris muricola的靶 DNA 条形码。目标 DNA 条形码的另一部分由信号探针依次特异性连接，包括 AuNP。在 AuNPs 的作用下，水和 PDMS 薄膜的表面电荷密度降低，因此，输出电流信号的峰值下降，可用于区分不同物种。基于此原理，同样可以开发微生物物种识别与鉴定的生物传感器，用于微生物的物种区分，为物种鉴定、疾病检测等提供新工具。

 原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202408718