距离调控多重光电化学信号转导用于水环境暴露病毒检测

  水环境介质中多类型低载量暴露病毒严重威胁着公众健康安全，其中，诺如病毒和轮状病毒是众所周知的可导致人类非细菌性胃肠炎的致病因素。然而，受技术与设备需求以及检测通量等因素限制，这些方法仍难用于环境样品分析。因此，构建简单高效、灵敏便携的病毒核酸检测新平台依然是环境分析领域亟待解决的问题。光电化学(PEC)生物传感作为一种新兴的生物分析方法，具有灵敏度高、背景信号低、操作方便等优点，这为水环境暴露病毒的准确灵敏检测提供了良好的契机。然而，基于PEC的生物传感器的构建通常需要涉及复杂的电极修改，其中一些甚至需要在微小的电极表面上构建不同的分区，不仅操作复杂，而且技术要求较高。更重要的是，多路信号探头的共面修饰仍然使交叉干扰难以避免。因此，为实现PEC传感器的多路检测，迫切需要解决PEC传感器单一识别接口上的多信号因子输出和检测信号转导问题。近日，湖北师范大学赖国松教授、李新博士研究团队以刺激介导的距离调控作为PEC检测信号转导策略，实现PEC传感器单识别界面上“signal-off”与“signal-on”双检测模式的自由切换，完成水环境暴露的诺如与轮状病毒的多元检测。

  如图1所示，首先借助Exo III酶介导的DNA循环反应，对水环境中低载量暴露病毒的核酸检测信号进行级联放大，满足水环境暴露病毒的高灵敏检测需求(图1a)。然后以Cu3(PO4)2纳米花作为支撑骨架，利用自组装策略分别制备出了具有H+与OH-输出活性的纳米信号探针，并通过碱基配对反应附着在捕获探针表面(图1b)。最后，以两种信号探针输出的H+与OH-分别作为两种目标病毒核酸检测的信号因子，以具有pH响应的i-Motif功能核酸序列(末端修饰CdS量子点)作为PEC传感器单识别界面上的双重检测信号输出的调控单元，输出信号因子可以特异性诱导修饰后的i-Motif核酸序列发生结构改变，进而调节CdS量子点与电极材料CdSe@ZnSe之间的空间距离。通过诱导电极材料光电子转移路径的改变，可以完成PEC检测信号的转变，完成水环境暴露诺如病毒与轮状病毒的核酸多元检测(图1c)。具体而言，当两种信号探针输出的H+与OH-分别作用于传感器表面修饰的i-Motif序列时，具有pH响应的i-Motif可表现出不同的二级结构。在H+作用下，由于i-Motif序列的折叠效应，使得序列末端修饰的CdS量子点靠近传感器的表面，由于电子的竞争转移作用，抑制了电极材料导带上的光生电子向外电路转移，使得光电流信号减弱，从而构建一种“signal-off”型PEC传感器。而当OH-作为信号因子作用于传感器表面的i-Motif序列时，i-Motif表现为直立状的二级结构，使得末端修饰的CdS量子点远离传感器表面，导致外电路检测到的光电流信号增强，从而构建一种“signal-on”型PEC传感器。由此，以pH介导的距离调控策略动态调控PEC传感器“signal-off”与“signal-on”两种检测模式的自由切换，即可实现基于单识别界面完成多重目标物的PEC检测。

  图1. 机理图。(a)Exo III介导的DNA循环反应;(b)双信号因子H+和OH−输出;(c)距离调控双信号输出的PEC检测模式用于诺如与轮状病毒核酸的多元检测。

  图2 光电材料表征。考察光电材料的组成结构以及验证光电流响应性能的提升。

  图3 两种分别具有H+与OH-输出活性的纳米信号探针的表征。考察信号探针组成结构以及验证其输出H+与OH-作为信号因子的活性。

  图4 可行性验证。分别考察了Exo III介导的DNA循环放大策略的可行性;i-Motif功能序列在不同pH条件下二级结构改变的可行性;i-Motif末端修饰的CdS量子点与光电材料之间发生能量转移的可行性以及以H+与OH-作为信号因子，以i-Motif作为信号转导单元调控PEC检测信号输出的可行性。

  图5 分析性能研究。考察在最优条件下，所构建的pH介导的距离调控型PEC传感器对水环境暴露的诺如与轮状病毒的核酸多元检测性能。

  本研究成功开发了具有“信号打开”和“信号关闭”双信号输出模式的距离调节型PEC传感器，用于同时检测多目标分子。结合等温核酸扩增，构建的PEC传感器成功应用于检测两种病毒(诺如病毒和轮状病毒)核酸序列。在最佳条件下，两种病毒的线性范围为0.01-100 nM，检测限分别为0.72和0.53 pM。该研究提出的刺激介导的距离调节策略成功地解决了PEC传感器单识别接口上多路检测信号的转导问题。预计将克服PEC传感器多重检测的技术障碍，并扩大PEC传感技术在环境分析领域的应用。

  论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c02316