液体纳米生物传感器可实现复杂基质中细菌的一锅式电化学检测

  背景：目前已经开发了使用核酸作为生物识别元件的电化学生物传感器，用于细菌的检测和鉴定。这些系统为基于生长培养的传染病诊断技术提供了一种快速和即时的替代方案，并且与使用核酸扩增的方法相比，操作复杂性和成本更低。尽管前景广阔，但由于在处理临床标本时需要：1)样品处理，这些电化学系统通常缺乏简单性;2)逐步添加抑制一步操作的试剂。上述两个挑战的一个关键原因是非特异性约束。首先，非特异性结合减少了生物传感器表面产生的信号，需要样品处理步骤，例如靶标提取和样品稀释。其次，在没有靶标的情况下，由于这些分子与传感器表面的非特异性相互作用，可以产生较大的背景信号。为了克服这些限制，电极表面的核酸探针通常与自组装的单层混合，例如巯基己醇、己烷二硫醇、二硫苏糖醇和乙二醇。这些方法通常有效，但在处理复杂基质时仍需要样品稀释，这增加了分析的操作复杂性并减少了可用于分析的目标分子的数量。光学免疫测定中常用的其他封闭剂(如牛血清白蛋白)也用于电化学测定;然而，这些会导致电极表面钝化和电导率降低。

  通过创建防污试剂和导电纳米颗粒网络，已经开发了在减少非特异性结合的同时保持电极电导率的策略。注入液体的表面为制造抗生物污染电化学生物传感器提供了一种替代方案，因为它们对各种背景材料具有排斥性，同时保持表面的电化学活性。这些表面对血液和血浆等复杂介质表现出很强的排斥性，这是使用其他抗生物污染策略尚未实现的。

  方法：本文集成了多种材料技术，以克服创建快速和一锅细菌传感平台的障碍。液体注入纳米电极用于减少换能器表面的非特异性结合;细菌特异性RNA切割DNA酶用于细菌鉴定;嵌入DNA酶中的氧化还原DNA条形码用于结合诱导的电化学信号转导。

  图1. 液体纳米生物传感器和纳米生物传感器检测大肠杆菌。

  图2. 尿液样本检测。a)使用液体纳米生物传感器检测含有不同浓度E. coil样品。b)患者尿液分析示意图。c)显示(a)中分析的大肠杆菌+和大肠杆菌-样品分布的箱形图和须状图。d)使用纳米生物传感器分析两个有培养物的大肠杆菌(>10⁵ CFU/mL)和两个无培养物的大肠杆菌。

  结果：为了确定该检测的临床敏感性和特异性，基于95%置信区间计算了470 nA的检测阈值。该阈值的灵敏度为100%，特异性为100%。这符合UTI阳性患者> 10⁴CFU/mL的阈值。

  结论：创造了一类新的抗生物污染电极，并将其与大肠杆菌特异性氧化还原DNA酶相结合，后者会释放氧化还原DNA条形码以响应目标。这些释放的靶标在抗生物污染电极上检测，其1)减少未反应的氧化还原DNA酶对电极表面的干扰，从而减少空白信号，2)减少样品干扰对测定分析性能的影响。

  在这项工作中，使用新开发的抗生物污染电极鉴定了缓冲液、尿液中的大肠杆菌，这是使用缺乏这种表面处理的电极无法实现的。对有症状尿路感染患者的临床标本进行分析，灵敏度为100%，特异性为100%。本文开发的一锅测定法，通过抗生物污染电极，可以很容易地应用于检测其他病原体以及其他临床生物标志物。

  参考来源：Imani S M, Osman E, Bakhshandeh F, et al. Liquid NanoBiosensors Enable One‐Pot Electrochemical Detection of Bacteria in Complex Matrices[J]. Advanced Science, 2023: 2207223.