《Bioelectrochemistry》：Ce-doped BiF
3@Pt nanocatalyst enhanced CHA-based electrochemical biosensor for sub-femtomolar detection of miRNA-21
编辑推荐：
•多孔BiF?(Ce)@Pt实现了具有高密度、抗聚集铂沉积的先进电极界面。•铈掺杂诱导的缺陷和铂的电子调控增强了H?O?的电催化还原。•CHA目标回收技术组装了BiF?(Ce)@Pt标签，用于双重放大的电化学miRNA-21转导。•该生物传感器的检测限为0.38 fM，检测范围为
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多孔BiF?(Ce)@Pt实现了具有高密度、抗聚集铂沉积的先进电极界面。
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铈掺杂诱导的缺陷和铂的电子调控增强了H?O?的电催化还原。
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CHA目标回收技术组装了BiF?(Ce)@Pt标签，用于双重放大的电化学miRNA-21转导。
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该生物传感器的检测限为0.38 fM，检测范围为10 fM–5 nM，血清回收率为101.0–101.3%。
引言
微小RNA（miRNA）是一类短的非编码RNA分子，在众多细胞过程中作为基因表达的调节因子发挥着关键作用，其失调与多种人类疾病（尤其是癌症）密切相关[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8]。其中，miRNA-21已被确定为一种突出的致癌生物标志物，其过表达常常与乳腺癌、肺癌和胃癌等癌症的进展、转移和不良预后相关[9],[10],[11],[12]。这凸显了对能够在复杂生物基质中以超高灵敏度和特异性检测miRNA-21的分析技术的迫切需求，以用于早期诊断和治疗监测。
电化学生物传感器已成为满足这一需求的最有前景的 platform 之一，因为它们具有高灵敏度、低成本、快速响应和微型化的潜力[13],[14],[15]。尽管有这些优势，直接检测微量的miRNA仍然是一个巨大的挑战，需要集成复杂的信号放大策略[16]。在这方面，无酶、等温放大技术（如催化发夹组装（CHA）受到了广泛关注[17],[18],[19],[20],[21]。CHA通过一个钩子介导的链置换级联反应实现，使单个目标miRNA能够催化形成大量稳定的DNA双链，从而在极低的背景噪声下实现显著放大[22]。然而，基于CHA的电化学传感器的全部潜力往往受到将核酸组装事件转化为可测量电信号的物质传输元件效率的限制。
为此，基于纳米材料的电催化剂是信号生成的理想候选者。特别是铂纳米粒子（Pt NPs），因其在过氧化氢（H?O?）还原等反应中的出色催化活性而闻名[23],[24]。然而，它们应用中的一个普遍问题是容易聚集，这大大减少了可利用的活性表面积并影响了催化性能。因此，探索能够高密度和高分散地固定Pt NPs的新载体材料至关重要。基于铋的纳米材料因其优异的稳定性、生物相容性和良好的电性能而最近受到关注[25]。同时，铈离子（Ce3?/Ce??）具有独特的氧化还原穿梭能力和高氧迁移率，已被证明可以显著增强宿主材料的电子转移动力学和催化性能[26],[27]。近年来，无酶等温放大和功能性DNA-纳米结构基电化学miRNA生物传感技术取得了快速发展。例如，一种集成CHA和熵驱动放大的级联放大生物传感器能够在均匀溶液中实现灵敏的miRNA检测，其中信号读出完全来自基于DNA的FRET荧光[28]。然而，这种均匀荧光策略不能直接用于电化学转导。另一种优雅的分子内DNA轮纳米结构电化学传感器依赖于构象重排，将小分子亚甲蓝标签带到电极附近以生成信号[29]。然而，信号输出受到DNA骨架上有限的锚定位点和小分子氧化还原标记的信号贡献的限制。与仅通过DNA部分或DNA连接的氧化还原分子生成信号的策略不同，本研究构建了一种双重放大范式，将无酶CHA核酸电路与高活性的BiF?(Ce)@Pt无机纳米催化剂相结合。CHA电路实现了目标回收，以组装丰富的捕获复合物，而BiF?(Ce)@Pt则作为对H?O?还原具有显著电催化活性的强大信号报告器。这种协同作用打破了纯DNA基传感系统的固有信号上限，并使生物传感器在复杂血清基质中具有出色的抗干扰性能。因此，我们假设通过含有Ce3?的前体的策略性掺杂铈到氟化铋晶格中，可以设计出一种更优越的载体结构——同时增加孔隙率，提供丰富的锚定位点，并改善导电性，从而稳定超细Pt NPs并创建出卓越的纳米催化剂。
在此，我们报告了一种铈掺杂的氟化铋支撑的铂纳米粒子复合材料（BiF?(Ce)@Pt）的合理设计和合成，以及它与CHA电路的成功集成，构建了一种超灵敏的电化学生物传感器用于检测miRNA-21。研究表明，铈掺杂使BiF?重构为多孔结构，实现了高密度分布的Pt NPs的沉积，并赋予了出色的H?O?还原电催化活性。这种新型纳米催化剂作为一个强大的信号放大器，而miRNA-21目标触发了CHA反应，导致催化剂标记复合物在电极上的精确组装。核酸放大电路与增强纳米催化之间的协同作用使该生物传感器能够实现低至0.38 fM的检测限，具有宽动态范围、高选择性和在人血清中的可靠性能。我们相信，这项工作不仅为生物标志物检测提供了一个强大的工具，还为通过复杂的核酸纳米技术和先进的功能纳米材料的结合来提升生物传感性能建立了一个通用范例。
部分摘录
试剂和设备
所有寡核苷酸（表S1）均由上海盛工生物工程有限公司合成。氯铂酸钾（K?PtCl?）、五水合硝酸铋（Bi(NO?)?·5H?O）、六水合硝酸铈（Ce(NO?)?·6H?O）、氟化铵（NH?F）和30%的过氧化氢（H?O?）从上海泰坦科技有限公司购买。链霉亲和素（SA）、6-巯基己醇（MCH）和三（2-羧乙基）膦（TCEP）从Sigma-Aldrich获得。所有其他化学品均来自...
传感原理
所提出的超灵敏miRNA-21检测电化学生物传感器的工作原理如图1所示，它结合了用于目标放大的CHA和用于信号生成的BiF?(Ce)@Pt纳米催化。
传感界面的构建首先是在裸玻璃碳电极（GCE）上电沉积金纳米粒子（Au NPs），作为导电基底和锚定层。然后通过...
结论
总结来说，我们通过协同集成催化发夹组装（CHA）电路和新型BiF?(Ce)@Pt纳米催化剂，开发出了一种超灵敏的miRNA-21电化学生物传感器。合理设计的BiF?(Ce)@Pt复合材料作为一种高效的信号放大器，利用其增强的H?O?还原电催化活性，而CHA系统确保了精确的目标识别和显著放大。
CRediT作者贡献声明
刘曦：写作——审稿与编辑，写作——初稿，研究，形式分析，概念化，方法学，软件，验证。黄颖：写作——审稿与编辑，研究，形式分析，概念化，数据管理，方法学，资源，软件，验证。高飞：数据管理，形式分析，资源，软件，验证，写作——审稿与编辑。马源源：研究，形式分析，概念化。杨敏杰：研究，形式分析...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国五矿集团科学技术项目（2022ZXA02）、河南师范大学化学与化学工程学院开放研究基金（2024Y12）、上海肿瘤能量治疗协作创新中心、河南师范大学技术创新团队（2022TD03）以及河南省基础研究专项（23ZX009）的财务支持。作者对此表示衷心感谢。
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