金屬納米材料在microRNA電化學傳感器中的應用進展

中圖分類號：TP212.3 文獻標志碼：A

文章編號：2096-2983（2025）04-0020-08

引文格式：，，．金屬納米材料在microRNA電化學傳感器中的應用進展[J]．有色金屬材料與工程，2025， 46（4）： 20-27.DOI： 10.13258/j.cnki.nmme.20240407001.OUYANG Ruizhuo， HUANG Ying， MIAO Yuqing.Recent advances in metal nanomaterial-based electrochemicalsensors for microRNA detection[J].NonferousMetal Materialsand Engineering， 2025， 46（4） ： 20-27.

Abstract： As a fluid biopsy analyte， microRNA （miRNA） exists in saliva， plasma urine， and other body fluids，and is related to various diseases， including cancer.It is an ideal biomarker for early clinical diagnosis of cancer. Among the various techniques for the detection of miRNA，electrochemical detection technology has been proved to be a potential detection method because of its low cost， easy miniaturization，and high sensitivity.In particular， the use of metal nanomaterials greatly improves the sensitivity of miRNA sensors and promotes the rapid development of electrochemical detection of miRNA. In this paper， the advantages and disadvantages of metal nanomaterials in the field of miRNA are discussed， the application and challenges of metal nanomaterials-mediated miRNA electrochemical sensors are reviewed， and its practical application prospect is prospected.

Keywords： metal nanomaterials; microRNA; electrochemical sensor

MicroRNA（miRNA）是一類內源性非蛋白質編碼的單鏈小RNA分子，可以在翻譯水平或轉錄后水平調節基因的表達，參與動植物轉錄后基因表達的調控。在幾乎所有已知的細胞過程中miRNA都扮演著重要的角色，包括細胞周期調節、分化、凋亡、器官發育和免疫過程[1-3]。miRNA 分布在細胞外液中，如唾液、血漿和尿液[4，并在導致大多數RNA 降解的極端條件下仍能保持高度穩定[5]。研究發現，miRNA分子異常與多種疾病密切相關，包括癌癥[6-9]、肺部疾病[10-11]、心血管疾病[12]、自身免疫性疾病等[13-14]

由于miRNA在體液中的可獲得性和穩定性，因此，檢測miRNA水平是疾病早期診斷的一種有效方法，因為它可以快速、簡便地檢測出來，從而解決了侵人性樣本采集的問題。因此，它有可能成為一種理想的疾病診斷和檢測的生物標志物。尋找一種合適的miRNA檢測方法是非常重要的。miRNA的檢測方法包括Northern雜交[15]、實時定量聚合酶鏈式反應[和微陣列技術[17]。這些檢測技術大多以核酸檢測技術為基礎，依靠光學檢測，耗時較長。因此，有必要開發一種高效、簡便、高靈敏度的檢測方法。金屬納米材料應用于開發電化學生物傳感器可有效解決上述局限，這是由于金屬納米材料的獨特性質，特別是其優異的導電性，以及催化性能。這些特性對生物傳感器非常重要，可用于檢測各種分析物，如癌癥、病毒和miRNA生物標志物。本文介紹了不同金屬納米材料包括金納米材料、銀納米材料、鉑納米材料以及其他金屬納米材料在miRNA電化學檢測中的應用。

1金屬納米材料在miRNA電化學傳感器領域應用的優缺點

目前，隨著納米技術的飛速發展，納米材料在醫學成像[18]、疾病診斷[19]、藥物輸送[20]、基因治療[21]等諸多領域顯示出巨大的優勢。近年來，新型納米材料不斷應用，新的改性技術不斷涌現，納米材料在腫瘤標志物檢測方面發展迅速[22]。其中金屬納米材料具有表面和界面豐富、電導率高和催化活性好等優點，在miRNA電化學檢測中的作用尤為廣泛[23]，通常用來固定探針或提高導電性，也可以作為信號探針或其他信號活性分子的載體。然而，金屬納米材料的應用也存在成本高、易聚集等缺點，另外保持長期穩定的不確定性以及其潛在的毒性也限制了其在miRNA電化學傳感器領域的應用。

2 金屬納米材料在miRNA電化學傳感器中的應用

2.1 金基納米材料

金納米材料易合成、導電性好、對配體的親和性強，廣受研究者青睞。硫醇與金之間的強相互作用[24]，成為眾多核酸生物傳感器設計的基礎。近年來，將金納米粒子與其他納米粒子結合以提升其性能為生物傳感器的發展帶來了新的契機。例如，Ma等[25]報道了一種基于金納米顆粒（Aunanoparticles，AuNPs）/氮化碳納米片（carbonnitridenanosheets，CNNs）復合材料構建的簡單有效的電化學生物傳感器，用于檢測miRNA（如圖1所示）。CNNs雖然穩定性強，易于合成，但幾乎沒有官能團，且難以官能化。而AuNPs因其良好的生物相容性、合成簡單、精確可控的理化性質以及獨特可調的電子性質，使之在許多領域得到廣泛應用[26-27]。將二維材料CNNs與生物相容性良好的AuNPs相結合，利用Au-N的親和力，形成穩定的基底材料，結合雙鏈體特異性核酸酶輔助酶靶回收方法實現高效檢測，檢測限低至

圖1CNNS/AuNPs電化學生物傳感器的制作和檢測原理示意圖[25]

Fig.1Schematic diagram of the CNNS/Au NPs-based electrochemical biosensor：fabricationand detection principle[25]

此外，功能化的 AuNPs 可作為DNA步行器用于靶標轉換和擴增，避免了復雜的制造過程。如Meng等[28]開發了一種多功能電化學生物傳感策略，以 Mn²⁺ 驅動的脫氧核酶和DNA行走器誘導的雜交鏈式反應（hybridchainreaction，HCR）多重信號放大為基礎，實現了miRNA的高靈敏檢測。如圖2所示，該方法將谷胱甘肽轉化為金屬離子靶標結合DNA步行器驅動的循環放大進行檢測，檢測限低至 5.68fM 利用脫氧核酶功能化的AuNPs作為DNA步行器，不僅提高了擴增效率，而且使操作更簡便。

圖2DNAzyme切割循環擴增和HCR擴增檢測miRNA的電化學策略[28]

Fig.2Electrochemical strategies for detecting miRNA using DNAzyme cleavage cycling amplification and HCR amplification [28]

金納米材料用于miRNA生物傳感器可提高檢測靈敏度和特異性。盡管成本高且可能與其他物質非特異性聚集，但其獨特性能仍為其在生物傳感領域的應用提供了可能性。

2.2 銀基納米材料

銀基納米粒子（Agnanoparticles，AgNPs）具有信號易放大、電催化活性強、消光系數高等優點，被廣泛應用于電化學生物傳感器領域。 AgNPs 易被氧化，在低電位下就能獲得清晰的放大信號，因此，適用于電化學氧化還原標記[29]。例如，最近開發了一種基于 AgNPs 的新型miRNA電化學生物傳感器[30]（見圖3）。利用納米銀與亞甲基藍（methyleneblue，MB）的信號比來檢測目標物，采用雙信號傳感模式，可減少實驗誤差和背景干擾，進而提高靈敏度和準確度[31]。Ag NPs 標記的發夾 DNA 與捕獲探針雜交，基于發夾數量與目標miRNA的濃度呈正相關對目標進行檢測。

此外，DNA模板銀納米團簇（DNA/Agnanoclusters，DNA/AgNCs具有優異的電化學特性，近年來備受關注。近期一項研究報告了富含T的序列對 AgNCs活性的增強作用，同時結合HCR擴增技術構建了超靈敏檢測miRNA的生物傳感器平臺2（見圖4）。基于兩種擴增技術的傳感器的檢測限比基于HCR擴增技術的傳統傳感器的低了一個數量級。

圖3基于walker和 AgNPs 雙信號傳感模式檢測miRNA的示意圖[31]

Fig.3Schematic of miRNA detection using a dual-mode sensing strategy with DNA walker and Ag NPs [31]

圖4基于AgNCs和HCR的miRNA-155超靈敏檢測示意圖[32]

Fig.4Ag NCs and HCR-based schematic for the ultrasensitive detection of miRNA-155 [32]

盡管銀基納米材料的成本相較于金基納米材料有所降低，但相較于其他非貴金屬材料，其成本仍然限制其發展。而且其潛在的毒性以及易氧化的不足給其穩定性也帶來了不小的挑戰。為了克服這些缺陷并提升性能，通常需要與其他納米材料進行結合，通過協同作用來優化其性能，以便更好地發揮其獨特優勢，推動相關領域的技術進步。

2.3 鉑基納米材料

鉑基納米粒子（Ptnanoparticles，PtNPs）是用于多種反應的催化效果極佳的類酶候選物[33]，在各種催化反應中應用廣泛，例如催化氧還原反應（oxygenreduction reactions，ORR）[34]、析氫反應（hydrogen evolution reaction，HER）[35]和 CO 氧化[36]等。與其他金屬納米材料相比， PtNPs 的導電性和催化性能更優異。Chen等[37]利用 Pt（QCeO₂NSs 對H₂O₂ 的優異催化性能構建了一種高靈敏度和高特異性的電化學生物傳感器，用于檢測miRNA-21。這項研究利用目標物觸發反應，打開具有發夾結構的捕獲探針，激活探針末端的生物素，基于Pt和 CeO₂ 對 H₂O₂ 的雙重催化能力來放大信號（見圖5），不僅提高了催化性能，還改善了納米復合材料的導電性。

盡管 PtNPs 以其卓越的導電性和催化活性成為信號增強的理想選擇，然而其高昂的成本卻不容忽視。因此，在實際應用中， PtNPs 常常需要與其他材料相結合，既可以降低成本，更能有效解決PtNPs易于聚集的難題。盡管存在這些挑戰，PtNPs在電化學檢測miRNA的領域應用前景依然非常廣闊，可為未來的生物傳感技術開啟新的篇章。

2.4 金屬有機復合納米框架

金屬有機框架（metal-organic frameworks，MOFs）是結合了金屬離子或團簇與有機配體，通過配位鍵巧妙自組裝形成的有機-無機雜化材料。它具備豐富的介孔結構、高比表面積和出色的熱穩定性[38]，在電化學傳感器領域具有卓越的應用。它的高孔體積特性為信號分子提供了眾多活性中心。許多MOFs及其衍生物已經嶄露頭角，作為檢測miRNA的新型電化學傳感平臺獨具優勢，不僅為探針DNA提供了豐富的負載位置，還展現出良好的生物相容性[39-40]。MOFs 中各種官能團[41]的存在使其成為負載具有不同信號的金屬底物和生物配體的理想平臺。

通過與其他導電納米材料結合形成的MOFs復合材料，相比純MOFs展現出諸多卓越性能。例如，Xue等[42]開創巧妙地設計出催化發夾組裝與雜交鏈式反應（catalytic hairpinassembly-hybrid chainreaction，CHA-HCR）結合Cu-MOFs的電化學傳感策略來檢測miRNA。高比表面積的Cu-MOFs作為負載HCR探針和電化學標記的優秀載體，通過CHA和HCR的無酶動態DNA自組裝擴增技術，避免了進一步的電化學信號探針標記，簡化了制備和檢測步驟，實現了無標記、無酶的電化學檢測miRNA（見圖6。

然而，MOFs的導電性相對較差，這在一定程度上限制了其在電化學領域的直接應用，將MOFs與

圖5 Pt（ωCeO₂ 基電化學傳感器檢測miRNA的原理示意圖[37]

Fig.5Schematic diagram of the Pt（ωCeO₂ -based electrochemical sensor for detection of miRNA [37]

導電納米材料結合可有效提高其導電性[43]。如將石墨烯氣凝膠（graphene aerogel，GA）和MOFs的復合材料作為MB的載體，形成的復合材料比表面積大、介孔結構和導電性良好。同時通過回收CHA靶標，引入Fe-MOFs作為信號探針，實現了明顯的氧化還原電位分離。通過充分利用MB和Fe-MOFs之間明顯分離的氧化還原電位，能夠準確反映miRNA-155 的實際濃度，檢測結果靈敏準確可靠[44]

圖6基于CHA-HCR-AuNPs/Cu-MOFs的電化學生物傳感器用于檢測miRNA-21[42]Fig.6 CHA-HCR-Au NPs/Cu -MOFs-based electrochemical biosensor for detection of miRNA-21 [42]

2.5 其他金屬納米材料

除了以上金屬納米材料外，銅、鐵、鈀基納米材料在miRNA的電化學檢測領域也備受矚目。銅基納米材料以其卓越的導電性和獨特的電化學信號而著稱。特別是以雙鏈DNA為模板合成的銅納米粒子（Cunanoparticles，CuNPs）展現出顯著的熒光或電化學響應能力。Wang等[45]將基于DNA模板合成的 CuNPs 實現了對miRNA-222的超靈敏電化學檢測。這種傳感器利用DNA雜交反應將CuNPs固定在電極上，獲得與 CuNPs 相對應的敏感氧化電流，顯著提升了檢測靈敏度。

鐵基納米材料憑借其出色的導電性和催化特性在傳感領域脫穎而出。一種新型共催化二茂鐵/血紅素/G-四鏈體 /Fe₃O₄ 納米粒子復合材料在近期被用于構建一種超靈敏檢測miRNA-155的電化學生物傳感器[4]。這種材料結合了電化學信號標記與無酶靶標循環放大技術，通過 Fe₃O₄ 納米粒子和血紅素/G-四聯體的協同催化作用，顯著加速電子轉移，進而增強電化學信號。同時引入無酶靶標循環放大技術進一步放大電化學信號響應，提升了此傳感器的檢測性能。

鈀基納米材料通過與其他材料復合，發揮協同作用，提高所制備的電化學傳感器的傳感性能，在miRNA的電化學檢測中發揮優良作用。例如，Guo等[47]將MXene還原氧化石墨烯（reducedgrapheneoxide，rGO）-AuPd作為固定DNA探針的電極材料，實現了對目標miRNA的高效檢測。

以上3種金屬基材料在miRNA電化學傳感器領域均展現出重要的應用價值，并通過各自獨特的物理化學特性，為生物傳感器的構建和性能提升提供了新的思路和方法。隨著研究的深入，這些金屬納米材料在生物傳感領域的應用前景將更加廣闊。

3結論

近年來，miRNA可作為疾病診斷和檢測的理想生物標志物，引起了研究者的極大關注。金屬納米材料在電化學傳感器中的應用可顯著提高電化學傳感器的性能，從而促進納米材料在miRNA電化學傳感器中持續發展。本文主要介紹了不同金屬納米材料應用于miRNA電化學生物傳感器中的優異能力。然而，雖然金屬納米材料的加入為電化學傳感器的構建帶來了諸多益處，但金屬納米材料的成本以及制備等問題限制了其深入發展，因此，對miRNA的檢測大多只能停留在實驗室水平。越來越多的研究利用兩種或多種納米材料合成納米復合材料來克服各種局限，以提高電化學傳感器的性能。相信隨著納米技術、電化學技術、分子識別技術、表面固定化技術等相關技術的不斷發展，這些問題均將迎刃而解，基于金屬納米材料的miRNA電化學傳感器也將取得突破性發展

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（編輯：何代華）