Cu1+xO介导的光纳米酶集成光电化学-比色双模式生物传感技术实现miRNA-21的高灵敏自校正检测

为解决复杂基质中miRNA检测准确性不足的问题，研究人员开发了一种基于Cu1+xO纳米花的光电化学-比色双模式生物传感器。通过Cu+/Cu2+自调节氧化还原循环增强催化效率，结合3D g-C3N4异质结构加速电荷迁移，实现了miRNA-21的灵敏检测（检测限达0.33 fM），为癌症早期诊断提供了高可靠性双信号验证平台。

　　

在癌症早期诊断领域，微小RNA（miRNA）的异常表达如同隐藏的密码，其检测灵敏度与可靠性直接决定临床决策的成败。然而传统单模式传感器在复杂生物样本中常遭遇背景干扰大、假阳性率高的困境，犹如在嘈杂环境中捕捉微弱信号。尤其对于miRNA-21——这种已被证实与乳腺癌、肺癌等多种恶性肿瘤密切相关的标志物，现有技术难以兼顾可视化快速筛查与实验室级精准定量。更棘手的是，单一信号输出易受仪器误差、操作变异等干扰，使得检测结果如同"独木桥"般缺乏交叉验证。

山东大学化学与化工学院的研究团队另辟蹊径，将光电化学（PEC）的超高灵敏度与比色法（CL）的直观可视化优势熔于一炉，创新性地设计出基于缺陷工程铜氧化物（Cu_1+xO）的"双保险"传感平台。这项发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》的研究，通过精妙调控Cu⁺/Cu²⁺氧化还原循环与三维石墨相氮化碳（3D g-C₃N₄）异质结的界面电荷传输，首次实现了光电信号极性反转与酶催化放大的协同增效，为分子诊断提供了革命性的自校正工具。

关键技术方法包括：①以月桂酸为模板剂制备多孔Cu_1+xO纳米花，兼具过氧化物酶样活性和光电转换功能；②构建3D g-C₃N₄/ITO电极增强光生载流子分离效率；③设计外切酶III辅助的链置换扩增策略提升miRNA识别特异性；④建立磁分离纯化流程降低基质干扰。

【材料表征】
扫描电镜（SEM）显示Cu-MOF前驱体为500 nm规整十四面体，煅烧后转变为表面粗糙的Cu_1+xO纳米花（图1B）。X射线光电子能谱（XPS）证实Cu⁺/Cu²⁺共存比例达1.68:1，这种混合价态通过自循环电子转移使TMB催化效率提升3.2倍。

【传感机制】
当目标miRNA-21触发DNA walker循环后，释放的Cu_1+xO-DNA复合物可同时产生两种信号：①使3D g-C₃N₄/ITO电极光电流极性从阳极逆转为阴极（ΔI=87.6 μA），②催化H₂O₂-TMB体系产生652 nm显色反应。双信号相关系数达0.996，但传输路径完全独立，有效规避假阳性。

【性能验证】
在血清样本中，该平台对miRNA-21的检测限低至0.33 fM（较单模式提升10倍），且能区分单碱基错配。通过分析32例临床样本，其检测结果与qRT-PCR的一致性达98.4%，而成本仅为后者的1/5。

这项研究的突破性在于：①首创性地利用Cu_1+xO的价态可逆转换特性实现信号自校验；②通过极性反转策略将传统PEC背景信号转化为有效响应；③开发的便携式检测装置可实现"样本进-结果出"的现场诊断。正如通讯作者Jitao Lu教授指出，这种"光电-比色"双轨验证机制为POCT诊断提供了新范式，其设计理念可拓展至其他疾病标志物的多模态检测。未来通过整合微流控芯片技术，有望构建家庭化癌症早筛系统，让高精度分子诊断"飞入寻常百姓家"。