基于电化学阻抗谱优化PNA探针固定策略增强bioFET检测miR-155灵敏度研究

本研究针对microRNA检测中传统方法灵敏度不足的问题，通过电化学阻抗谱(EIS)系统优化肽核酸(PNA)探针与6-巯基-1-己醇(MCH)共固定比例，开发出检测限达(0.28±0.06)pM的场效应晶体管生物传感器(bioFET)，为miR-155相关疾病的早期诊断提供了高特异性、可临床转化的检测方案。

　　

在分子诊断领域，microRNA（miRNA）作为基因表达调控的关键分子，其异常表达与癌症、神经退行性疾病等多种重大疾病密切相关。然而现有检测技术如PCR和测序存在操作复杂、成本高等瓶颈，特别是对于体液中极低浓度的miRNA（通常为0.2-20 pM）检测面临巨大挑战。传统生物传感器虽具有快速检测优势，但受限于探针固定效率低下等问题，难以实现临床所需的超高灵敏度。

针对这一关键科学问题，Francesco Lavecchia di Tocco团队在《Microchemical Journal》发表创新研究，通过精妙设计肽核酸（PNA，一种人工合成的核酸类似物）探针固定策略，将场效应晶体管生物传感器（bioFET）的检测性能推向新高度。研究团队创造性地采用电化学阻抗谱（EIS）实时监控6-巯基-1-己醇（MCH）与PNA的共固定过程，发现当PNA:MCH比例为0.25时，可形成兼具高探针密度和良好空间取向的自组装单层膜（SAM）。这种优化结构使miR-155的杂交效率提升81%，结合低离子强度缓冲液延长德拜长度的策略，最终在生物流体中实现0.35 pM级的超高灵敏度检测。

关键技术方法包括：1）电化学阻抗谱（EIS）分析不同PNA:MCH比例下的SAM形成动力学；2）场效应晶体管（bioFET）实时监测miR-155结合引起的电流变化；3）原子力显微镜（AFM）验证PNA探针固定形态；4）在人血清样本中进行方法学验证。

研究结果部分：

1. 1.

   定义最佳PNA浓度：通过EIS发现50 μM PNA可形成最致密SAM，R_ct值达峰值（570 Ω），过高浓度（100 μM）会因空间位阻降低固定效率。

2. 2.

   PNA:MCH共固定效应：MCH使PNA探针间距扩大，0.25比例下杂交信号提升最显著（ΔR_ct(hyb)/R_ct(imm)=81%），过高MCH会稀释探针密度。

3. 3.

   离子强度优化：在16.7 mM低离子强度下，德拜长度增加使杂交信号比167 mM条件提高2.1倍。

4. 4.

   bioFET性能验证：优化后传感器对miR-155的检测限达0.28 pM，较前期研究提升1000倍，且能有效区分单碱基错配的miR-155**（p<0.0001）。

5. 5.

   临床样本检测：在1:100稀释人血清中保持0.35 pM检测限，回收率76-120%，RSD<14%。

该研究突破性地将表面化学优化与半导体传感技术相结合，不仅为miRNA检测提供了新方法学范式，更通过MCH介导的探针取向调控策略，解决了生物传感器领域长期存在的"高密度-高活性"难以兼得的矛盾。特别值得注意的是，该方法在复杂生物基质中仍保持优异性能，为肝癌、乳腺癌等miR-155相关疾病的液体活检提供了极具转化前景的技术平台。研究者提出的"EIS指导bioFET优化"策略，更为其他核酸生物传感器的开发提供了普适性研究思路。