用于临床尿液样本生物标志物检测的核酸探针功能化自供电传感器

可穿戴与便携式健康监测设备近年快速发展，但电池废弃与高能耗制造过程对联合国可持续发展目标构成挑战^[1,5]。摩擦电纳米发电机（TENG）通过摩擦起电与静电感应将机械能转化为电能^[2,3]，已被用于可穿戴能源收集^[4]及自供电生化传感^[1,5]，但固液界面TENG型自供电生化传感器长期存在特异性与灵敏度两大瓶颈：传统摩擦材料未针对特定靶标修饰，表面电荷易受尿液中带电物质干扰^[1,6]；高浓度盐离子通过电双层与静电中和削弱表面电荷密度，使靶标结合所引起的微弱电荷变化难以转化为可分辨的输出差异^[1,6]。

针对这一难题，该工作通过在PDMS表面组装金纳米颗粒并经Au-S键接枝核酸探针，使探针在捕获靶标前后的构象改变能够特异性地调节摩擦材料表面的带电状态；配合双电极结构所引入的体效应，将表面电荷的细微变化放大为显著的输出电压差异^[6]。装置整体成本低于0.6美元。在0.001×PBS中分别实现了ATP与miR-21的信号开启式检测：ATP体系下输出电压随浓度升高而增强，在75 nM时达到22.2 V；miR-21体系则在探针顶端修饰带正电的亚甲蓝分子以抵消核酸骨架的负电荷屏蔽，使输出电压随miR-21浓度从0升至100 nM而由10.3 V上升至17.4 V。SERS与KPFM等表征进一步证实了探针构象变化与表面带电状态变化的对应关系。

为将检测推进到复杂尿样体系，作者系统考察了德拜屏蔽效应：当离子强度调整至使德拜长度与探针高度相匹配的0.1×PBS进行二次检测时，miR-21在人工尿中的检测限由650 pM降至328 pM；ATP的检测限则由584 pM降至269 pM，均显著低于临床阈值。该方法最终成功识别出膀胱炎患者尿液中异常升高的ATP水平，实现患者与健康人的区分。

不过，器件目前仍依赖手工操作各步骤，作者提出未来可通过集成微流控通道将冻干探针独立储存以延长货架期；一个月内的长期稳定性虽已得到验证，更长周期及更大规模临床样本的评估仍有待完成。