金纳米颗粒辅助的多谐波与多变量QCM检测技术用于miRNA-21的快速分析

《IEEE Sensors Journal》：Gold Nanoparticle-Assisted Multiharmonic and Multivariate QCM Sensing of miRNA-21

　　

摘要：

MicroRNA-21（miRNA-21）是癌症、心血管疾病和炎症性疾病的临床相关生物标志物。传统的检测方法依赖于实验室操作，耗时较长，且不适合即时检测（point-of-care）应用。石英晶体微天平（QCM）传感器能够实现无标记的实时检测，但传统的单频分析方法限制了检测灵敏度，并低估了物质的粘弹性效应。本文提出了一种多 harmonic 和多变量的 QCM 方法，结合金纳米粒子（AuNP）辅助的夹心检测技术来增强 miRNA 的检测能力。通过物理信息驱动的特征选择和优化策略，分析了多种共振模式下的频率、幅度和相位特征，以确定最具区分性的参数。该方法在 miRNA-21 上进行了实验验证，检测限从约 10 nM（单频检测）降低到 100 pM。AuNP 媒导的放大作用进一步提高了信号强度，最终检测限达到 1 pM，实现了两个数量级的提升。使用非目标 miRNA（miRNA-145 和 miRNA-9）进行的特异性检测显示交叉反应率极低。这些结果表明，将多 harmonic 信号分析与基于纳米粒子的放大技术相结合，显著提高了 QCM 基 miRNA 检测的灵敏度和选择性，显示出其在癌症及其他病理学检测中的潜在应用价值。

I. 引言

微小 RNA（miRNAs）是一类短链非编码核酸，长度通常为 18–25 个核苷酸 [1], [2], [3], [4]。它们的主要功能是通过结合目标信使 RNA（mRNAs）的未翻译区来调节基因表达，从而控制蛋白质的合成。近年来，miRNAs 成为多种疾病的重要生物标志物，包括癌症 [5], [6]，并可作为诊断、预后和预测指标 [7], [8], [9]。