基于多足DNA步行器和主客体技术的可再生电化学生物传感器用于心梗microRNA的高灵敏检测

doi:10.7503/cjcu20250255

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (3): 20250255.doi: 10.7503/cjcu20250255

基于多足DNA步行器和主客体技术的可再生电化学生物传感器用于心梗microRNA的高灵敏检测

代志江, 单腾腾, 李益和, 杨建梅(), 赵焱()

云南省现代分离分析与物质转化重点实验室，云南师范大学化学化工学院，昆明 650500

收稿日期:2025-09-10 出版日期:2026-03-10 发布日期:2025-10-22
通讯作者: 杨建梅 E-mail:yangatynnu@163.com;zhaooyann@163.com
作者简介:赵焱，女，硕士，教授，主要从事超分子化学方面的研究. E-mail： zhaooyann@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(22364023);云南省基础研究计划-面上项目(202301AT070074);云南师范大学博士科研启动项目(2020ZB009)

Regenerable Electrochemical Biosensor Based on Multi-legged DNA Walker and Host-guest Chemistry for Highly Sensitive Detection of Myocardial Infarction-lelated microRNA

DAI Zhijiang, SHAN Tengteng, LI Yihe, YANG Jianmei(), ZHAO Yan()

Yunnan Key Laboratory of Modern Separation Analysis and Substance Transformation，College of Chemistry and Chemical Engineering，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China

Received:2025-09-10 Online:2026-03-10 Published:2025-10-22
Contact: YANG Jianmei E-mail:yangatynnu@163.com;zhaooyann@163.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22364023);the Yunnan Fundamental Research Project, China(202301AT070074);the PhD Scientific Research Foundation of Yunnan Normal University, China(2020ZB009)

摘要/Abstract

摘要：

基于多足DNA步行器和主客体技术，构建了高灵敏检测miRNA-133a-5p的可再生电化学生物传感器. 在电极表面修饰还原氧化石墨烯-金纳米颗粒复合材料（rGO@AuNPs）以固定大量的β-环糊精（β-CD），构建了可再生传感界面. 当miRNA-133a-5p存在时，其触发3个发夹DNA探针自组装形成三足DNA步行器，同时置换出miRNA-133a-5p，使其循环参与反应，最终产生大量步行器. 步行器高效剪切信号探针，释放出大量二茂铁（Fc）标记的单链DNA片段. 这些片段通过主客体作用被电极表面的β-CD捕获，产生电流信号，从而实现对miRNA-133a-5p的高灵敏检测. 由于目标物循环参与反应和三足DNA步行器的高效剪切效率，使传感器的检出限达19.7 fmol/L. 同时，利用电化学可控调节Fc与β-CD间的主客体作用，可使传感器实现6次再生循环利用. 本研究为心梗诊断提供了新平台，也为电化学生物传感器的再生利用提供了有效策略.

关键词: 电化学生物传感器, 急性心肌梗死, DNA步行器, miRNA-133a-5p, 可再生

Abstract:

A highly sensitive and regenerable electrochemical biosensor was developed for detecting microRNA-133a-5p（miRNA-133a-5p） via integrating a multi-legged DNA walker with host-guest recognition. The sensor featured a regenerable interface constructed by modifying the electrode surface with reduced graphene oxide-gold nanoparticle composites（rGO@AuNPs） and immobilizing abundant β-cyclodextrin（β-CD）. Upon introduction of miRNA-133a-5p， the target triggered the self-assembly of three hairpin DNA probes into a three-legged DNA walker. Crucially， miRNA-133a-5p was displaced during this process， enabling its cyclic reuse and subsequent amplification of walker generation. The resulting walkers efficiently cleaved signal probes， yielding numerous ferrocene（Fc）-labeled single-stranded DNA fragments. These fragments were captured by β-CD on the electrode surface via host-guest interactions， generating measurable current signals for ultrasensitive miRNA-133a-5p detection. Benefiting from target recycling amplification and the high cleavage efficiency of the three-legged DNA walker， the sensor achieved a remarkably low detection limit of 19.7 fmol/L. Furthermore， electrochemical regulation of the host-guest interaction between Fc and β-CD facilitated six regeneration cycles. This work establishes a novel platform for myocardial infarction diagnosis and proposes an effective strategy for designing regenerable electrochemical biosensors.

Key words: Electrochemical biosensor, Acute myocardial infarction, DNA walker, miRNA-133a-5p, Regenerable

中图分类号:

O657.1

TrendMD:

代志江, 单腾腾, 李益和, 杨建梅, 赵焱. 基于多足DNA步行器和主客体技术的可再生电化学生物传感器用于心梗microRNA的高灵敏检测. 高等学校化学学报, 2026, 47(3): 20250255.

DAI Zhijiang, SHAN Tengteng, LI Yihe, YANG Jianmei, ZHAO Yan. Regenerable Electrochemical Biosensor Based on Multi-legged DNA Walker and Host-guest Chemistry for Highly Sensitive Detection of Myocardial Infarction-lelated microRNA. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(3): 20250255.

图/表 10

Table 1 Oligonucleotide sequences used in the experiments

Name	Sequence（5'➝3'）
H1	TTGAATTCAGCGATATATTTGGTTCCATTTTACCAGCTGTTTGACAAGAGAGCTGGTAAAATCACCCATGTTACTCTCC
H2	TTGAATTCAGCGATATTTTACCAGCTCTCTTGTCAAACGGAACCAAATATGTTTGACAAGAGCACCCATGTTACTCTCC
H3	TTGAATTCAGCGATCTCTTGTCAAACATATTTGGTTCCAGCTGGTAAAATGGAACCAAATATCACCCATGTTACTCTCC
Fc⁃HP⁃Fc	Fc⁃CACCACAGCGAGGGAGAGTAT/rA/GGAATTCAAGACAACGTGGTG⁃Fc
miRNA⁃133a⁃5p（miRBase ID： hsa⁃miR⁃133a⁃5p）	AGCUGGUAAAAUGGAACCAAAU
miRNA⁃208（miRBase ID： hsa⁃miR⁃208b⁃5p）	AAGCUUUUUGCUCGAAUUAUGU
miRNA⁃499（miRBase ID： hsa⁃miR⁃499a⁃5p）	UUAAGACUUGCAGUGAUGUUU
miRNA⁃328（miRBase ID： hsa⁃miR⁃328⁃3p）	CUGGCCCUCUCUGCCCUUCCGU
miRNA⁃133b（miRBase ID： hsa⁃miR⁃133b）	UUUGGUCCCCUUCAACCAGCUA
single⁃base mismatch	AGCUGGUAAAAUGGATCCAAAU

Fig.1 TEM images of rGO(A) and rGO@AuNPs(B), Raman spectra of GO and rGO(C), XRD patterns of GO, rGO and rGO@AuNPs(D)

Fig.2 CV curves(A) and EIS spectra(B) of different modified electrodesa. bare GCE； b. rGO@AuNPs/GCE； c. SH-β-CD/rGO@AuNPs/GCE.

Fig.3 Native PAGE analysisLane M： DNA marker； lane 1： miRNA； lane 2： H1； lane 3： H2； lane 4： H3； lane 5： H1+H2+H3+miRNA； lane 6： H1+H2+H3； lane 7： HP； lane 8： H1+H2+H3+miRNA+HP； lane 9： H1+H2+H3+HP.

Fig.4 DPV current responses of different reaction systems incubated with signal probe Fc⁃HP⁃Fca. H1+H2+H3（without target）； b. miRNA+H1； c. miRNA+H1+H2（single-legged DNA walker）； d. miRNA+H1+H2+H3（three-legged DNA walker）.

Fig.5 Effect of concentration of the Fc⁃HP⁃Fc probe(A), assembly time of DNA Walker(B) and the cyclic cleavage time of Mg2+⁃DNAzyme(C)

Fig.6 DPV responses of different concentrations of miRNA⁃133a⁃5p(A), calibration curve between the current response value of the DPV and the logarithmic value of the miRNA⁃133a⁃5p concentrationc（nmol·L⁻1）， a ➝ i： 0， 5.00×10⁻⁵， 1.00×10⁻⁴， 5.00×10⁻⁴， 1.00×10⁻³， 1.00×10⁻²， 5.00×10⁻²， 1.00×10⁻¹， 1.00.

Fig.7 DPV responses of the biosensor to blank, miRNA⁃499(10 nmol/L), miRNA⁃208(10 nmol/L), miRNA⁃328(10 nmol/L), miRNA⁃133b(10 nmol/L), single⁃base mismatch(10 nmol/L), miRNA⁃133a⁃5p(1 nmol/L), and the mixture of the above miRNAs

Fig.8 Reusability of the biosensor

Table 2 Recovery results of miRNA-133a-5p in diluted serum samples(n=3)*

Sample	Added/（pmol·L^-1）	Found/（pmol·L^-1）	Recovery（%）	RSD（%）
1	0.500	0.52	104	2.1
2	10.0	9.7	97	3.9
3	1.00 × 10³	1.06×10³	106	2.7

参考文献 37

[1]	Reed G. W.， Rossi J. E.， Cannon C. P.， The Lancet， 2017， 389（10065）， 197—210
[2]	Zhang J.， Guo Y.， Bai Y.， Wei Y.， J. Nanobiotechnol.， 2023， 21， 298
[3]	Reyes⁃Retana J. A.， Duque⁃Ossa L. C.， Curr. Probl. Cardiol.， 2021， 46（3）， 100739
[4]	Xiao Y.， Zhao J.， Tuazon J. P.， Borlongan C. V.， Yu G.， Cell Transplant.， 2019， 28（7）， 831—838
[5]	Zhang L.， Ding H.， Zhang Y.， Wang Y.， Zhu W.， Li P.， Front. Physiol.， 2020， 11， 1088
[6]	Li H. J.， Huang C.， Wang F.， Shen Y.， Jin L.， Feng Q.， Chen X.， Liao Q.， Zhu M.， Wang D.， Hou X.， He B.， Anal. Chem.， 2025， 97（12）， 6686—6693
[7]	Liu R. Z.， Li X. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（3）， 383—391
	刘仁植，李晓严. 高等学校化学学报， 2017， 38（3）， 383—391
[8]	Jiang J.， Gong T. T.， Zhang C. P.， Liu X. Q.， Zhao J. W.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（1）， 20210561
	蒋君，宫田田，张成鹏，刘晓倩，赵俊伟. 高等学校化学学报， 2022， 43（1）， 20210561
[9]	Dastidar M. G.， Schumann U.， Nisbet D. R.， Natoli R.， Murugappan K.， Tricoli A.， Chemical Engineering Journal， 2025， 508， 160903
[10]	Zhang X. L.， Yang Z. H.， Chang Y. Y.， Liu D.， Li Y. R.， Chai Y. Q.， Zhuo Y.， Yuan R.， Chemical Science， 2020， 11， 148—153
[11]	Chen Y.， He S.， Lian H.， Liu G.， Liu B.， Wei X.， Anal. Chem.， 2024， 96（14）， 5625—5632
[12]	Li W.， Li Y.， Zhao L.D.， Yuan R.， Zhuo Y.， Zhong X.， Sensors Actuators B： Chem.， 2024， 409， 135599
[13]	Bialy R. M.， Mainguy A.， Li Y.， Brennan J. D.， Chem. Soc. Rev.， 2022， 51（21）， 9009—9067
[14]	Li T.， Xin S. M.， Liu Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（8）， 20230140
	李婷，邢思敏，刘洋. 高等学校化学学报， 2023， 44（8）， 20230140
[15]	Wang Y.， Hai X.， Yan Y.， Zhi S.， Bi S.， Adv. Funct. Mater.， 2025， 35， 2420480
[16]	Zhao J.， Han H.， Liu Z.， Chen J.， Liu X.， Sun Y.， Wang B.， Zhao B.， Pang Y.， Xiao R.， Anal. Chim. Acta， 2024， 1295， 342306
[17]	Long Y.， Zhao J.， Ma W.， He C.， Pei W.， Hou J.， Hou C.， Huo D.， Anal. Chem.， 2024， 96（12）， 4774—4782
[18]	Luo L.， Dong F.， Li D.， Li X.， Li X.， Fan Y.， Qi C.， Luo J.， Li L.， Shen B.， ACS Sensors， 2024， 9， 1438—1446
[19]	Oishi M.， Saito K.， ACS Nano， 2020， 14（3）， 3477—3489
[20]	Man Y.， Liu J.， Wu J.， Yin L.， Pei H.， Wu Q.， Xia Q.， Ju H.， Anal. Chim. Acta， 2020， 1107， 48—54
[21]	Liu C.， Wu T.， Deng L.， Li X.， Fu X.， Liao S.， Ma W.， Zou G.， Yang H.， Chinese Chemical Letters， 2024， 35（9）， 109307
[22]	Chen Y.， Meng X.， Lu H.， Dong H.， Anal. Chim. Acta， 2022， 1209， 339339
[23]	Ru Z.， Chen J.， Lv L.， Gao N.， Ren X.， Du Y.， Yang L.， Wei Q.， Chemical Engineering Journal， 2025， 519， 165379
[24]	Tan S.Y.， Hou T.L.， Zhang X.L.， Wang X.， Chai Y.Q.， Yuan R.， Biosens. Bioelectron.， 2025， 267， 116719
[25]	Wei Z. Y.， Wu Z. K.， Ru S.， Ni L. B.， Wei Y. G.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（1）， 20210665
	魏哲宇，吴志康，茹诗，倪鲁彬，魏永革. 高等学校化学学报， 2022， 43（1）， 20210665
[26]	Tomokazu M.， Evans D. H.， Osa T.， Kobayashi N.， J. Am. Chem. Soc.， 1985， 107（12）， 3411—3417
[27]	Domenico O.， Andrea C.， Carlo N.， Mauro R.， Roberto G.， Organometallics， 2000， 19（14）， 2791—2797
[28]	Qu H. N.， Meng Q. Y.， Wang L.， Xing H. F.， Yang L. R.， Liu H. Z.， Spectroscopy and Spectral Analysis， 2018， 38（10）， 305—306
	屈虹男，孟启宇，王丽，邢慧芳，杨良嵘刘会洲，光谱学与光谱分析， 2018， 38（10）， 305—306
[29]	Yang F.， Zhang B.， Dong S.， Wang C.， Feng A.， Fan X.， Li Y.， Journal of Energy Chemistry， 2019， 29， 72—78
[30]	Zhao X.， Xu D.， Liu K.， Dai P.， Gao J.， Appl. Surf. Sci.， 2020， 512， 145746
[31]	Tamang S.， Rai S.， Bhujel R.， Bhattacharyya N. K.， Swain B. P.， Biswas J.， J. Alloys Compd.， 2023， 947， 169588
[32]	Jiao X.， Qiu Y.， Zhang L.， Zhang X.， RSC Adv.， 2017， 7（82）， 52337—52344
[33]	Viprya P.， Kumar D.， Kowshik S.， Eng. Proc， 2023， 59（1）， 84
[34]	Nguyen L. D.， Dang C. M.， Doan T. C. D.， Microchem. J.， 2023， 190， 108717
[35]	Chen G.， Shen Y.， Xu T.， Ban F.， Yin L.， Xiao J.， Shu Y.， Biosens. Bioelectron.， 2016， 77， 1020—1025
[36]	Nsabimana A.， Ma X.， Yuan F.， Du F.， Abdussalam A.， Lou B.， Xu G.， Electroanalysis， 2018， 31（2）， 177—187
[37]	Li P.， Ye Y.， Li Y.， Xie Z.， Ye L.， Huang J.， Biosens. Bioelectron.， 2024， 251， 116129

基于多足DNA步行器和主客体技术的可再生电化学生物传感器用于心梗microRNA的高灵敏检测

Regenerable Electrochemical Biosensor Based on Multi-legged DNA Walker and Host-guest Chemistry for Highly Sensitive Detection of Myocardial Infarction-lelated microRNA

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 37

相关文章 11

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	王丹丹, 陈礼平, 封心建. 基于三维枝状TiO₂纳米阵列的三相酶催化反应界面及高效光电化学传感[J]. 高等学校化学学报, 2026, 47(1): 20250330.
[2]	邱丽琪, 姚向阳, 何良年. 可见光驱动丰产金属卟啉类配合物催化的二氧化碳选择性还原反应[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220064.
[3]	王春燕,蒋晓青,周泊. 基于Cu-TPA的电化学生物传感器对黄曲霉毒素B1的检测[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(11): 2301.
[4]	刘仁植, 李晓严. MoS₂中空纳米球的制备及在超灵敏microRNA电化学生物传感器中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(3): 383.
[5]	王德建, 张恩生, 徐田龙, 李军, 黄桐堃, 邹永. 丙二腈及氰乙酸酯参与的3-脱氢莽草酸甲酯缩合-芳构化-环合串联反应[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(2): 267.
[6]	王强, 王锐, 徐海波. Ir_0.08Ti_0.92O₂及其载Pt催化剂的制备与电催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(9): 1962.
[7]	王青, 刘卫, 羊小海, 王柯敏, 刘沛, 何磊良. 纳米金颗粒增强信号的电化学生物传感器用于谷胱甘肽和半胱氨酸的检测[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(8): 1845.
[8]	吴伟, 张恩生, 魏文, 黄桐堃, 刘新伟, 杨少凡, 邹永. 3-脱氢莽草酸甲酯与肼类化合物反应的选择性[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(10): 2223.
[9]	封科军, 姚艳玲, 沈国励, 俞汝勤. 基于单壁碳纳米管-DNA酶复合结构的电化学生物传感器[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(08): 1676.
[10]	何农跃,郭会时,顾春荣,杨笛,张寄南 . 人血清中cTnI的化学发光酶免疫分析研究——实验条件的优化[J]. 高等学校化学学报, 2007, 28(2): 242.
[11]	郑静,冯婉娟,程圭芳,黄翠华,林莉,何品刚,方禹之 . 利用互补核酸杂交富集金胶实现信号扩增的电化学凝血酶蛋白生物传感器研究[J]. 高等学校化学学报, 2007, 28(12): 2274.