用于纸质微流控设备中自动毛细流动的定时控制阀门

《Sensors and Actuators A: Physical》：Timer-Controlled Valves for Automated Capillary Flow in Paper-Based Microfluidic Devices

高效催化Zn?V?O?/g-C?N?异质结纳米片与DNAzyme-3D行走系统结合，通过血蓝蛋白介导的氧化还原反应实现NSE超灵敏检测，检测限达36.4 fg mL?1。

　　本研究聚焦于小细胞肺癌（SCLC）的早期诊断和治疗，提出了一种基于电化学检测的新型神经特异性烯醇化酶（NSE）适配体传感器。NSE作为一种在神经元和神经内分泌细胞中高度表达的糖酵解酶，已被证实为SCLC早期检测的可靠生物标志物。在SCLC患者体内，NSE的浓度显著升高，且其水平的变化可作为疾病复发的早期预警信号。因此，开发一种高灵敏度、无需标记的NSE检测方法，对于提升SCLC的临床诊断能力具有重要意义。

目前，NSE的检测主要依赖于化学发光免疫分析（CLIA）、电化学发光分析（ECL）以及酶联免疫吸附分析（ELISA）等传统技术。然而，这些方法在实际应用中存在诸多局限，例如设备成本高昂、对样本质量要求严格，以及灵敏度不足，难以检测低浓度的NSE。为了克服这些瓶颈，近年来研究者们致力于开发新型的生物传感平台，以提高检测的灵敏度和特异性。其中，电化学生物传感因其卓越的灵敏度、分子识别能力、快速响应特性和良好的微型化潜力，成为检测多种生物标志物的重要工具。

本研究提出了一种创新性的信号放大策略，将DNAzyme驱动的三维DNA行走系统与一种具有高催化活性的Zn?V?O?/g-C?N?异质结纳米片相结合，从而构建了一种高灵敏度、无需标记的NSE适配体传感器。该材料能够高效催化血红素的电还原反应，为NSE的检测提供了强大的信号支持。此外，该方法还通过DNAzyme与DNA行走系统的协同作用，实现了血红素/G-四链体（GS）纳米线的原位组装，从而进一步放大检测信号。

DNAzyme是一种具有催化功能的DNA分子，其在特定金属离子（如Mg2?和Zn2?）的存在下，能够催化核酸底物的剪切反应。相较于传统的蛋白酶，DNAzyme表现出更高的稳定性和多次催化能力，这使其成为构建自驱动DNA行走系统的理想选择。在本研究中，DNA行走系统被设计为一种3D结构，以增强其操作效率和负载能力。这种结构能够响应NSE的结合，释放携带DNAzyme的DNA行走链，从而触发一系列的剪切反应，产生大量DNAzyme。这些DNAzyme进一步与电极表面固定的底物相互作用，暴露自由的GS结构，为后续血红素/GS纳米线的组装提供条件。

G-四链体是一种由富含鸟嘌呤的核酸序列通过芳香堆积作用形成的四链螺旋结构。在K?的作用下，GS能够进一步堆叠形成GS纳米线。这种纳米线结构不仅增强了GS的稳定性，还提供了丰富的疏水位点，使血红素能够插入其中，形成血红素/GS复合物。血红素/GS复合物在电化学检测中表现出显著的电流响应，从而实现对NSE的高灵敏度检测。

Zn?V?O?/g-C?N?异质结纳米片作为本研究的核心材料，具有良好的催化性能和高导电性。g-C?N?是一种新型的二维非金属有机半导体材料，其结构类似于石墨的层状结构，具有优异的化学稳定性、独特的电子结构和出色的热稳定性。通过构建异质结，可以优化g-C?N?与其他半导体之间的电子能带分布，从而显著提高其导电性。其中，Z-scheme异质结结构能够有效增强光生载流子的分离性能，促进电子-空穴对的分离过程。这种结构使得电子在导带的高能级积累，而空穴则在价带的低能级聚集，从而保持材料的高氧化还原能力。

在本研究中，Zn?V?O?/g-C?N?异质结纳米片被合成并固定在电极表面，随后通过电化学沉积的方法在其上固定金纳米颗粒（AuNPs），以构建高效的催化界面。这种复合材料不仅提升了电化学反应的效率，还增强了信号的放大能力。同时，通过引入DNAzyme驱动的三维DNA行走系统，实现了对NSE的高效识别和信号放大。

实验结果表明，该传感器在0.1至1000 pg/mL的动态范围内，能够实现对NSE的检测，其检测限低至36.4 fg/mL。这一结果表明，该方法在灵敏度方面具有显著优势，能够检测极低浓度的NSE。此外，该平台还适用于检测稀释的复杂生物样本，为SCLC的早期诊断提供了新的思路。通过结合多种信号放大策略，该传感器不仅提高了检测的灵敏度，还增强了其特异性，使得在临床样本中能够准确识别NSE。

本研究的创新点在于将DNAzyme驱动的三维DNA行走系统与Zn?V?O?/g-C?N?异质结纳米片相结合，构建了一种全新的信号放大路径。这种结合不仅提高了检测的灵敏度，还通过多层次的信号放大机制，增强了检测的稳定性。DNA行走系统能够在NSE结合后释放携带DNAzyme的DNA链，从而触发一系列的剪切反应，产生大量DNAzyme。这些DNAzyme进一步与电极表面固定的底物相互作用，暴露自由的GS结构，为后续血红素/GS纳米线的组装提供条件。

血红素/GS纳米线的组装过程是该方法的核心环节之一。在K?和Mg2?的作用下，GS能够形成稳定的纳米线结构，而血红素则能够插入其中，形成血红素/GS复合物。这种复合物在电化学检测中表现出显著的电流响应，从而实现对NSE的高灵敏度检测。此外，Zn?V?O?/g-C?N?异质结纳米片的高催化活性进一步放大了这种电流响应，使得检测结果更加可靠。

本研究的成果不仅在理论层面具有重要意义，还在实际应用中展现出广阔前景。通过构建这种新型的生物传感平台，研究人员能够实现对NSE的高灵敏度、高特异性检测，从而为SCLC的早期诊断和治疗提供支持。此外，该方法还适用于检测稀释的复杂生物样本，为临床诊断提供了更加便捷的解决方案。在未来的应用中，这种传感器有望成为一种快速、高效、低成本的诊断工具，为癌症的早期筛查和精准治疗提供新的思路。

综上所述，本研究通过整合多种先进的材料和生物技术，构建了一种高灵敏度、无需标记的NSE适配体传感器。该传感器利用Zn?V?O?/g-C?N?异质结纳米片的高催化活性，结合DNAzyme驱动的三维DNA行走系统和血红素/GS纳米线的信号放大机制，实现了对NSE的精准检测。这种方法不仅提高了检测的灵敏度，还增强了其特异性，为SCLC的早期诊断提供了有力支持。同时，该平台在实际应用中表现出良好的稳定性和可操作性，具有广泛的应用前景。