【COF病毒检测】：电化学检测H1N1流感病毒的共价有机骨架/MWCNT纳米复合材料

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摘要：
广西大学王丽伟老师等报道的本篇文章（ACS Appl. Nano Mater. 2024）中报道了一种基于共价有机框架(COFs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)的纳米复合材料，该材料被用于开发一种电化学生物传感器，用于快速、灵敏地检测H1N1流感病毒的互补DNA(cDNA)。该生物传感器采用了双探针特异性识别和信号放大策略，能够在10飞摩尔到1纳摩尔的范围内定量检测H1N1病毒cDNA，检测限(LOD)为1.01飞摩尔。此外，该便携式装置实现了1飞摩尔到1皮摩尔的检测范围，LOD为0.17飞摩尔，并通过添加回收实验确认了其准确性。该便携式生物传感装置通过定量检测小鼠鼻甲和肺组织中的H1N1病毒浓度，并与液滴数字聚合酶链反应(ddPCR)结果进行比较，验证了其可靠性和在流感监测中的潜在应用。因此，这种生物传感器有助于医生或其他专业人员快速准确地监测结果，有望实现H1N1流感病毒的现场诊断，以便早期干预和疫情管理。

研究背景：
1. H1N1流感病毒具有高度传染性，可导致人畜共患的呼吸系统疾病，因此早期检测对于预防和控制病毒在人群中的快速传播至关重要。
2. 传统的H1N1流感病毒检测方法，如聚合酶链反应(PCR)、逆转录(RT) PCR、酶联免疫吸附试验(ELISA)和等温扩增等，通常耗时、成本高，且需要专业设备和技术员，限制了其便携应用。
3. 本研究提出了一种基于TAPT-TP COFs/MWCNT纳米材料的电化学生物传感器，该传感器具有双探针特异性识别和信号放大功能，能够快速定量检测H1N1病毒cDNA，具有较高的灵敏度、选择性和重复性。

实验部分：
1. COFs/MWCNTs的合成
- 操作: 通过将TAPT、TP和MWCNTs加入到1,3,5-三甲基苯、1,4-二氧六环和醋酸的混合溶液中，经超声混合后转移到反应器中，在120°C下反应72小时，得到橄榄棕色的COFs/MWCNT材料。
- 结果: 合成了COFs/MWCNT纳米复合材料，用于后续实验。
2. 生物传感器的构建
- 操作: 将COFs/MWCNT材料粉末溶解在0.1%的壳聚糖溶液中，滴涂在玻璃碳电极(GCE)上，随后使用戊二醛作为交联剂，固定发夹捕获探针(HP-CP)，使用牛血清白蛋白(BSA)封闭非特异性结合位点。
- 结果: 成功构建了基于COFs/MWCNT的电化学DNA生物传感器。
3. 便携式装置的测试
- 操作: 构建了基于电极芯片的便携式生物传感器，用于监测H1N1流感病毒cDNA序列。
- 结果: 便携式装置展现出优秀的检测能力，检测范围为1飞摩尔到1皮摩尔，检测限为0.17飞摩尔。
4. 动物模型和样本准备
- 操作: 使用6周龄的BALB/c小鼠构建H1N1流感病毒模型，收集小鼠的鼻甲和肺组织样本，提取RNA并合成cDNA。
- 结果: 通过电化学DNA生物传感器和便携式装置，成功检测了小鼠鼻甲和肺组织中的H1N1病毒浓度。
5. 数据统计和分析
- 操作: 使用Excel 2016和GraphPad Prism 8进行数据分析，采用方差分析和Tukey测试评估显著性差异。
- 结果: 实验数据以均值和标准偏差的形式呈现，验证了生物传感器的准确性和重复性。

分析测试：
1. COFs/MWCNTs的表征
- 结果: 通过FESEM、FTIR、XRD、N2吸附-脱附曲线和XPS等技术手段，确认了COFs/MWCNTs的成功合成和表征。比表面积为783.3 m²/g，孔隙尺寸为0.53 nm。
2. 电化学特性表征
- 结果: 通过循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)测试，证实了COFs/MWCNTs具有改善的电化学性能，电活性表面积分别为0.11和0.16 cm²。
3. 生物传感器性能优化
- 结果: 系统优化了溶液pH、捕获探针用量、孵化时间以及COFs/MWCNTs的样品用量等实验参数，以获得最佳的生物传感器性能。
4. 特异性和稳定性测试
- 结果: 电化学DNA生物传感器能够快速检测并准确识别H1N1病毒，检测限低至1.01飞摩尔。通过琼脂糖凝胶电泳验证了引物的特异性。
5. 便携式装置的测试
- 结果: 便携式装置展现出良好的特异性和重复性，为H1N1流感病毒的快速检测提供了一种实用的工具。
6. 准确性验证和实际H1N1监测
- 结果: 通过与液滴数字聚合酶链反应(ddPCR)结果的比较，验证了生物传感器和便携式装置的可靠性，为H1N1流感病毒的监测提供了科学依据。

总结：
本研究成功构建了一种基于COFs/MWCNT纳米复合材料的电化学生物传感器，用于快速、灵敏地检测H1N1流感病毒cDNA。该生物传感器具有宽检测范围、低检测限、高灵敏度、良好选择性和重复性。通过动物模型实验验证了该生物传感器的准确性和实用性，为H1N1流感病毒的诊断和早期调查提供了科学依据。

展望：
1. 未来的研究应关注生物传感器的长期稳定性，特别是在实际应用环境中的稳定性。
2. 探索生物传感器对其他类型或亚型的流感病毒的检测能力，以扩展其应用范围。

Covalent Organic Frameworks/MWCNT Nanocomposites for Electrochemical Detection of the H1N1 Influenza Virus
文章作者：Jianhua Yan, Chaoxin Zhang, Qian Cheng, Hongjie Liu, Shaopeng Wang, Man Zhang, and Liwei Wang*
DOI：10.1021/acsanm.4c01758
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.4c01758

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