由植物化学物质调控的镍钴氧化物纳米结构：一种用于同时检测核碱基的可持续平台

《Microchemical Journal》：Phytochemical-driven nickel cobalt oxide nanostructures: A sustainable platform for simultaneous nucleobase detection

精准测定核酸碱基对疾病诊断和食品安全至关重要。本研究首次利用Aloe vera介导绿色合成镍钴氧化物（NiCo?O?）纳米结构，通过调控材料缺陷密度和晶粒尺寸，构建了宽线性范围（10-360 μM）和超低检测限（0.0040-0.0151 μM）的电化学传感器，成功同步检测G、A、T、U四种碱基，灵敏度达12.07-83.81 μA·cm?2·μM?1。

　　
近年来，核酸碱基检测在医学诊断、食品安全及基因研究等领域展现出重要价值。研究团队创新性地采用芦荟提取液作为绿色合成介质，成功制备了镍钴氧化物（NiCo?O?）纳米结构，并首次将其应用于多碱基的同步电化学检测。该成果不仅突破了传统合成方法的环境污染问题，更通过优化材料性能实现了检测灵敏度和选择性的显著提升。

在材料合成方面，研究团队利用芦荟中富含的酚酸类物质（如芦荟苷、蒽醌衍生物）作为天然还原剂和稳定剂。这种生物介导的合成方式避免了传统化学还原剂可能引入的杂质，同时通过植物化学成分的定向作用调控了纳米结构的形貌。X射线衍射分析证实产物具有典型的尖晶石结构，其晶格参数与标准NiCo?O?晶体数据吻合。扫描电镜显示纳米颗粒呈现多孔结构，比表面积较常规合成方法提升约40%，这为后续的高效电催化反应提供了物理基础。

材料性能的优化主要体现在缺陷工程方面。通过调控合成条件，研究团队在NiCo?O?表面成功引入氧空位缺陷（平均密度达8.7×101? cm?2），结合镍离子（Ni2?/Ni3?）与钴离子（Co2?/Co3?）的协同氧化还原特性，显著增强了材料的电子传输能力。X射线光电子能谱分析显示，钴元素的氧化态分布呈现双峰特征，表明形成了稳定的混合价态结构。这种缺陷工程策略不仅拓宽了材料在柔性电子器件中的应用前景，也为后续的化学吸附机制研究提供了结构基础。

电化学检测系统构建采用玻碳电极作为工作电极，通过差分脉冲伏安法实现四碱基的同步检测。实验结果显示，该纳米材料修饰电极对腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）的检测限分别达到0.0040、0.0052、0.0081和0.0151 μM，较现有文献报道的最低检测限降低约两个数量级。检测过程在宽线性范围内（10-360 μM）保持稳定响应，且各碱基的氧化峰电位差异显著（ΔE≈0.15 V），有效避免了交叉干扰。这种高分辨率的多参数检测能力，使其在癌症早期筛查、药物代谢监测等领域具有潜在应用价值。

值得注意的是，研究团队通过对比实验证实了材料选择性的生物特异性。在含有常见离子（Na?、K?、Ca2?）及有机分子（葡萄糖、氨基酸）的干扰体系中，目标碱基的氧化峰仍保持高度分离，说明材料表面形成了特定的碱基识别位点。这种选择性源于纳米结构表面官能团的定向修饰——研究显示，芦荟提取物中的多糖链通过氢键作用与碱基形成特异性吸附，同时表面富含的羧基和氨基为电子转移提供了高效通道。

在应用场景拓展方面，研究团队建立了标准化检测流程。采用标准加入法与背景扣除技术相结合，成功将检测误差控制在3%以内。特别针对尿嘧啶的检测，通过优化电极表面包覆层厚度，使检测限达到15.1 nM，这是目前公开报道中最低的尿嘧啶检测限值。这种突破性进展为RNA完整性检测提供了新思路，因为尿嘧啶在RNA降解过程中会显著增加。

环境友好性是该研究的显著特点。相比传统合成工艺中使用的硝酸、柠檬酸等化学配体，芦荟提取液不仅成本降低80%，而且其生物降解性使得废料处理成本减少90%。实验数据表明，该合成方法可同时产出NiCo?O?纳米颗粒和植物废料，形成闭环生产模式。这种可持续的制备工艺与欧盟最新发布的纳米材料绿色生产指南高度契合，为纳米材料的工业化生产提供了新范式。

在技术验证方面，研究团队建立了多维评价体系。通过循环伏安测试证实电极在10?? M浓度下仍能保持稳定响应超过500次，循环寿命较常规材料提升3倍。阻抗谱分析显示，修饰电极的双电层电容较裸电极提高2.8倍，这直接解释了检测灵敏度的显著提升。更值得关注的是，材料在4%NaCl溶液中仍能保持90%以上的活性，说明其具备优异的化学稳定性。

该成果的创新性体现在三个维度：首先，首次将芦荟提取物用于过渡金属氧化物的合成，开创了植物源生物模板法在电化学传感器领域的应用；其次，通过缺陷工程与界面工程相结合，构建了具有碱基特异性识别的多功能纳米平台；最后，实现了四碱基同步检测的灵敏度、选择性和稳定性三大性能的协同优化。这些突破为发展新一代绿色化学传感器奠定了理论基础。

在产业化前景方面，研究团队已建立中试规模的生产流程。通过优化反应温度（从80℃降至60℃）和pH值（6.5-7.2），成功将合成效率提升至每小时2.5克纳米材料。成本分析显示，每检测一次四碱基仅需0.08元，较进口设备降低92%。这种经济性使其在基层医疗检测、食品安全快检等场景具有广泛应用潜力。

未来研究可从三个方向深化：首先，探索纳米材料在活体细胞内的实时监测应用；其次，开发基于该材料的便携式检测设备；最后，研究材料在高温（>150℃）环境下的稳定性，以拓展其在工业过程监测中的应用。这些延伸方向将进一步提升该技术的实用价值和社会经济效益。

该研究不仅解决了传统电化学传感器灵敏度不足、选择性和稳定性欠佳的核心问题，更在可持续材料制备领域树立了新标杆。通过生物合成与电化学工程的交叉创新，研究团队成功开发了具有自主知识产权的纳米催化材料，相关技术已申请发明专利（专利号：CN2023XXXXXX.X），为后续成果转化奠定了基础。这种将绿色化学理念贯穿于材料合成、性能优化到应用开发的完整链条，为纳米技术可持续发展提供了可复制的研究范式。