《Electrochimica Acta》：Amplification-Free Zn-MgO/cSWCNT Nanohybrid Interface for Impedimetric DNA Biosensing
编辑推荐：
•通过阻抗传感实现阿托摩尔检测，检测限（LOD）为 8.79 aM。•线性范围为 30–150 aM，相关性高（R2 = 0.994）。•缺陷介导调制下的灵敏度为 0.35 Ω·aM?1。•检测限比典型的飞摩尔至皮摩尔生物传感器低约 103–10? 倍。•在牛奶样本中的回收率
- •
通过阻抗传感实现阿托摩尔检测，检测限（LOD）为 8.79 aM。
- •
线性范围为 30–150 aM，相关性高（R2 = 0.994）。
- •
缺陷介导调制下的灵敏度为 0.35 Ω·aM?1。
- •
检测限比典型的飞摩尔至皮摩尔生物传感器低约 103–10? 倍。
- •
在牛奶样本中的回收率为 97–102%，相对标准偏差（RSD）< 3%。
引言
快速检测食源性病原体对于确保食品安全和防止疾病爆发至关重要。在这些病原体中，鼠伤寒沙门氏菌 通常通过高度保守的 invA 基因进行鉴定，该基因被广泛用作 沙门氏菌 检测的分子标记 [1,2]。尽管基于核酸的检测方法如 PCR 提供了出色的灵敏度，但它们需要多步扩增程序和复杂的仪器，这促使了能够直接电读出的简单无标记电化学生物传感器的开发。电化学阻抗谱（EIS）能够对电极表面生物分子相互作用相关的界面电荷转移变化进行敏感监测，并广泛用于无标记生物传感 [3]。电化学阻抗生物传感器的最新进展证明了纳米结构界面（如石墨烯衍生物、金属氧化物和基于碳纳米管的复合材料）在病原体检测中的有效性。例如，MoS?/CNT、基于还原氧化石墨烯（rGO）的平台以及其他纳米结构电化学生物传感器由于增强的电子传输和表面功能化而显示出提高的灵敏度 [4]。最近的电化学生物传感器利用纳米结构界面展示了对病原目标的敏感检测，突出了表面工程和固定化探针与其互补靶序列的选择性杂交（同时区分非靶和非匹配序列）在提高分析性能方面的重要性 [5]。然而，许多报道的系统要么依赖复杂的功能化策略、扩增步骤，要么在相对较高的检测限下工作，限制了它们在快速食品安全监测中的实际应用。
氧化镁作为界面成分具有吸引力，这归功于其高的等电点和影响传感界面静电环境的能力。然而，纯净的氧化镁表现出宽带隙和费米能级附近低的固有态密度（DOS），导致较大的基线电荷转移电阻（Rct）值和有局限性的阻抗调制。锌改性氧化镁结构引入了额外的表面缺陷和氧空位，从而增强了表面反应性和界面电荷转移动力学。这些缺陷位点促进了氧化物表面与导电碳纳米管网络之间更好的电子通信，从而降低了基线阻抗并放大了杂交引起的变化。在这种纳米复合架构中，碳纳米管提供了通过酰胺键形成共价固定 DNA 探针的功能基团，而锌改性氧化镁则有助于电化学响应的界面环境 [6,7]。
羧化单壁碳纳米管（cSWCNTs）提供了具有准金属态密度的高导电性 π-共轭网络，位于费米能级附近，能够实现高效的电子渗流和降低的串联电阻 [8,9]。表面 –COOH 基团促进了稳定的 DNA 固定并增强了界面耦合，而氧化锌镁与羧化单壁碳纳米管之间的紧密接触建立了一个以电荷重新分布和局部能带弯曲为特征的氧化物 - 碳异质界面。这种缺陷工程化的异质结构能够在中频范围内有效调制 Rct，同时抑制低频下的扩散受限贡献。因此，氧化锌镁与羧化单壁碳纳米管的集成形成了一种富含缺陷的氧化物–碳异质结构，能够放大杂交引起的阻抗变化。受近期关于界面工程化电化学生物传感器报告的启发，这些报告强调了电子结构调制和缺陷相关的信号放大，本工作利用富含缺陷的氧化物–碳异质界面来实现高效的电荷转移调制，用于超灵敏阻抗 DNA 检测 [10]。
尽管基于电化学阻抗的基因传感器取得了显著进展，但在极低、阿托摩尔浓度下进行可靠的无放大检测仍然具有挑战性，因为直接 DNA 杂交通常产生相对较弱的界面电信号，需要增强电荷转移调制和信号转导的策略 [11]。与之前报道的基于碳纳米管、石墨烯或金属氧化物的平台不同，本工作引入了一种氧化锌镁/羧化单壁碳纳米管氧化物 - 碳异质界面，其中锌改性氧化镁结构预计会产生缺陷相关的电子态，可能增强界面电荷转移行为。这可能促进氧化物与碳纳米管网络之间更好的电子相互作用，导致 DNA 杂交期间电荷转移电阻（Rct）的可测量调制。因此，所提出的系统实现了阿托摩尔浓度的无放大检测，而不需要复杂的标记策略。为了更好地背景化所提出系统的性能，表 1 展示了与近期报道的电化学生物传感器的比较。尽管超低浓度 EIS 传感通常表现出相对较窄的校准窗口，但在阿托摩尔范围内进行无放大检测对于电化学核酸传感仍具有分析意义。
值得注意的是，大多数近期报道的电化学生物传感器工作在飞摩尔（10?1? M）至皮摩尔（10?12 M）范围内，而本系统实现了 8.79 aM（10?1? M）的检测限，展示了阿托摩尔检测范围内具有竞争力的分析灵敏度。这种增强性能是在没有酶促放大的情况下实现的，进一步区分了所提出的平台与许多现有高灵敏度生物传感器的区别。
所提出的氧化锌镁/羧化单壁碳纳米管平台与现有电化学生物传感器相比，展示了 improved 的灵敏度和简化的架构，通过缺陷工程化的信号放大和无放大检测解决了现有电化学生物传感器的关键局限性。所提出的传感策略利用缺陷相关的氧化物 - 碳异质界面来促进 DNA 杂交期间的界面电荷转移调制，以增强界面阻抗响应，而不依赖酶或标记策略。
在本研究中，我们开发了一种氧化锌镁/羧化单壁碳纳米管纳米杂化修饰电极，用于 鼠伤寒沙门氏菌 invA 基因的无放大阻抗检测。缺陷相关的氧化物 - 碳界面促进了 DNA 杂交期间的界面电荷转移调制，实现了阿托摩尔浓度范围内的无放大检测。传感机制通过阻抗响应的等效电路模型进行解释，平台的分析性能在灵敏度、选择性方面进行了评估，并在牛奶样本作为代表性食品基质中进行检测，同时针对不同细菌物种进行了交叉反应性评估。这种方法通过提供简化的、无标记的、无放大的平台，推进了电化学生物传感，该平台具有高的灵敏度和在复杂样品基质中的实际适用性。
方案 1 说明了基于氧化锌镁/羧化单壁碳纳米管基因传感器的制备和传感机制。纳米杂化物沉积在氧化铟锡电极上，随后共价固定 ssDNA 探针。在与靶 DNA 杂交时，观察到电荷转移电阻的可测量变化，这与富含缺陷的氧化物 - 碳网络内的界面电子调制一致。所提出的传感策略利用缺陷相关的氧化物 - 碳异质界面来促进 DNA 杂交期间的界面阻抗调制，而不依赖酶或标记策略。
章节摘要
化学品和试剂
六水合硝酸镁（≥99%）、六水合硝酸锌（≥98%）、柠檬酸（≥99.5%）、六氰合铁 (II) 酸钾（≥99%）、六氰合铁 (III) 酸钾（≥99%）和氯化钾（≥99%）购自西斯科研究实验室 (印度孟买)。所有化学品均为分析纯，未经进一步纯化直接使用。氧化铟锡（ITO）涂层玻璃基板购自奥普科姆国际公司 (印度新德里)。羧基功能化单壁碳纳米管（cSWCNTs）
结构表征
拉曼光谱（图 1a）证实了氧化锌镁/羧化单壁碳纳米管纳米复合物的形成，并表明纳米复合物内存在缺陷相关的结构无序。288.43 和 333.73 cm?1 处的低频带与晶格振动和由锌诱导的氧化镁框架改性引起的结构无序有关 [20]。463.79 cm?1 处的带对应于 Mg-O 晶格振动，强度的轻微变化表明由于
结论
开发了一种氧化锌镁/羧化单壁碳纳米管纳米杂化修饰的阻抗传感平台，用于 鼠伤寒沙门氏菌 invA 基因的无放大检测。缺陷相关的氧化物–碳异质界面促进了 DNA 杂交期间的界面阻抗调制，实现了阿托摩尔浓度范围内的无放大检测。传感器在 30-150 aM 范围内表现出线性响应，灵敏度为 0.35 Ω·aM?1，IUPAC 定义的检测限为 8.79
CRediT 作者贡献声明
RRS：概念化，方法论，研究，数据整理，正式分析，撰写 – 初稿。
SR：数据整理，正式分析，撰写 – 审阅与编辑。
MKP：概念化，监督，资源，正式分析，撰写 – 审阅与编辑。
科学写作中生成式人工智能的声明
仅使用 QuillBot 和 ChatGPT 等生成式人工智能工具进行语言增强和改写；所有科学内容、分析和结论均由作者独立开发。
数据可用性
数据可应要求提供。
未引用参考文献
[[28], [29], [30]]
CRediT 作者贡献声明
里亚·里蒂卡·辛格： 撰写 – 初稿，可视化，验证，方法论，研究，正式分析，数据整理，概念化。 斯姆里蒂·拉凯什： 可视化，方法论，正式分析，数据整理。 马诺杰·库马尔·帕特尔： 撰写 – 审阅与编辑，可视化，验证，监督，项目管理，研究，资金获取，正式分析。
里亚·里蒂卡·辛格|斯姆里蒂·拉凯什|马诺杰·库马尔·帕特尔
