基于纸基-金属化电纺纤维复合电极的核酸快速伏安检测新策略及其在即时诊断中的应用

研究人员针对传统核酸检测方法复杂耗时的问题，开发了一种集成金属化电纺纤维电极的纸基传感器(FiberSens)。该设备通过甲基蓝(MB)与双链核酸的插层作用，可在3分钟内完成PCR扩增产物的检测，检测限达1.38 ng μL-1。这种无需表面修饰的便携式传感器为心血管疾病相关基因(MTHFR)的即时检测提供了新方案。

　　

在基因诊断领域，传统核酸检测技术如qPCR和ELISA面临着设备昂贵、操作复杂等挑战。特别是在资源有限地区，急需开发低成本、便携且高效的检测方法。电化学传感技术虽具有微型化潜力，但传统丝网印刷电极会阻碍纸基材的毛细流动，影响检测重现性。这一技术瓶颈促使科学家们探索新型电极材料与器件架构。

罗马尼亚国家材料物理研究所(National Institute of Materials Physics)的Victor C. Diculescu团队在《Cell Reports Physical Science》发表的研究中，创新性地将金属化电纺纤维与纸基微流控相结合。他们开发的FiberSens传感器采用三明治结构：在色谱纸两侧分别集成金工作电极/银参比电极和金对电极，通过3D打印蜡质聚合物构建疏水屏障形成微流通道。这种设计既保留了纸基材的被动驱动力，又通过电纺纤维的多孔结构解决了传统电极堵塞孔隙的问题。

研究团队运用了四项关键技术：(1)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)电纺纤维的图案化金属沉积；(2)3D打印构建纸基微流控通道；(3)方波伏安法(SWV)检测甲基蓝(MB)的氧化还原信号变化；(4)拉曼光谱和紫外-可见光谱验证MB-dsDNA相互作用机制。临床样本采用志愿者口腔拭子提取的DNA经PCR扩增MTHFR基因片段。

设计原理与表征

通过流体扩散实验证实，40μL进样量可在10秒内实现测试区均匀分布。电化学测试显示MB的扩散系数为1.43×10^-6 cm² s^-1，电荷转移速率常数达9.03×10^-3 cm s^-1。光谱分析捕捉到MB与DNA结合后1627 cm^-1拉曼峰位移至1622 cm^-1，证实了插层作用的发生机制。

检测性能

传感器对PCR扩增的MTHFR基因检测呈现对数响应关系，线性范围1-100 μg mL^-1。在血清样本中回收率达91%-95%，年稳定性测试保持85%以上初始灵敏度。相比需要固定捕获探针的传统传感器，该设备直接检测核酸与MB的相互作用，简化了操作流程。

应用验证

以心血管疾病相关MTHFR基因为模型，研究证实仅需2μL样本即可在3分钟内完成检测。设备检测限(1.38 ng μL^-1)媲美商业ELISA试剂盒，且无需专业操作人员。这种"样本进-结果出"的设计特别适合基层医疗机构使用。

这项研究突破了纸基传感器中电极材料与流体控制的矛盾，通过金属化电纺纤维实现了高渗透性电极的构建。其创新点在于：(1)电极不阻碍毛细流动，解决信号不均问题；(2)直接检测核酸无需探针修饰；(3)3D打印实现器件标准化生产。该技术为发展集成核酸扩增与检测的一体化诊断设备奠定了基础，尤其适用于突变基因筛查和传染病现场检测。未来通过集成LAMP恒温扩增模块，可进一步缩短检测时间，推动分子诊断技术的普惠化应用。