成果速递
环境微生物核酸（DNA和RNA）是解析不同地理环境下微生物群落结构与功能、揭示生物地球化学循环与生态系统响应机制的关键靶标，在生态环境质量评估、全球变化环境效应研究、公共卫生风险预警及生物资源开发中均具有重要价值。然而，当前主流的实时荧光定量聚合酶链式反应（qPCR）和微滴式数字PCR（ddPCR）等核酸定量方法，存在核酸提取流程繁琐且依赖精密仪器等技术局限，难以满足野外现场快速检测的需求。尤其对于极易降解的RNA，野外样品采集、保存、运输、RNA提取及定量检测过程都可能干扰对现场微生物转录活性的真实反映。当前环境微生物核酸定量检测亟待突破的技术瓶颈，已从“能否准确定量”转向“能否在现场实现快速、可靠的定量”。
聚焦这一问题，华东师范大学地理科学学院郑艳玲教授课题组，利用MoS2纳米材料核酸识别与纳米通道离子传输特性，建立了一种基于空间位阻门控纳米通道的电化学生物传感方法，实现了对靶标核酸的免提取、免扩增现场快速定量检测。相关成果以“Steric-gated nanochannel biosensor for amplification-free electrochemical quantification of microbial DNA and RNA in aquatic environments”为题，发表于化学传感器领域顶级期刊Sensors and Actuators B: Chemical。
基于空间位阻效应的纳米通道生物传感器
核心机制：纳米通道可作为 “空间位阻开关”
该传感平台以AAO纳米通道为基底，于其表面构建MoS2功能界面，并利用MoS2对单链核酸吸附、双链核酸解吸附的特性负载DNA发夹探针。无靶标核酸时，高密度探针吸附在MoS2/AAO表面，增大纳米通道空间位阻，抑制[Fe(CN)6]3–扩散， DPV信号处于低水平（“OFF”状态）。靶标与探针特异性杂交后，双链产物因界面亲和力降低而从MoS2表面解吸附，空间位阻降低， DPV信号相应升高（“ON”状态）（图1a）。扫描电镜、接触角及荧光实验分别从材料组装、界面性质变化和探针识别解吸附等角度予以佐证（图1b–g）；DPV峰电流随靶标浓度升高而递增，证实了该信号转导机制的可行性（图1h–j）。
图1 SEM、接触角及荧光实验共同验证了材料组装与信号转导过程
传感器分析性能与界面再生能力
经系统优化实验参数后，该传感器的电化学信号与靶标核酸浓度在6–1.31×1010copies·μL–1范围内呈良好线性关系（R2=0.9997），检出限低至6 copies·μL–1（图2a、b），检测结果具有较好的重现性，相对标准偏差（RSD）为1.3%–6.9%（图2c）；在复杂环境核酸样品中，该传感器能特异性识别靶标，维持准确且选择性的信号响应（图2d）。此外，P1/P2-MoS2/AAO传感器在4 ℃下保存15天后，回收率维持在91.8%–107.4%，RSD为5.85%（图2e、f）。再生实验中，本研究采用溶剂辅助法去除MoS2纳米片后重新构建MoS2/AAO界面并组装探针，经连续8次“再生–重组”循环，界面仍保持稳定的探针负载能力和识别性能（图2g–i）。
图2 纳米通道生物传感器的线性范围、检出限、重现性、选择性、储存稳定性与界面再生能力
复杂环境中的抗干扰能力
为评估野外环境中盐度、pH、溶解性有机质（DOM）及浊度等因素对传感器信号的潜在干扰，本研究将已知浓度的靶标核酸加入经预处理的天然水样中，系统考察上述环境因子对检测性能的影响。结果表明，在不同盐度和pH条件下，标准曲线R2均高于0.99，斜率与参考条件相比无显著差异；DOM和浊度引起的相对偏差分别为4.72%–6.03%和4.61%–8.12%。上述结果证实，该平台具备良好的抗干扰能力与响应稳定性。
图3 不同盐度、pH、DOM和浊度条件下，生物传感器对靶标核酸的标准曲线与信号响应
简化裂解条件下的直接定量检测
为验证该传感器在复杂环境样品中的定量可靠性，本研究以nirS基因的DNA与RNA为靶标，对水体和沉积物样品进行简化裂解预处理后，直接采用电化学生物传感器（ECB）检测。结果显示，ECB与qPCR测定结果呈良好相关性（R2>0.94），回归斜率接近1（图4a–d）。针对DNA靶标，ECB与qPCR的平均相对偏差在水样中为9.58%，在沉积物样品中为4.24%；针对RNA靶标，二者分别为6.30%和6.62%。在检测效率方面，ECB方法的样品预处理约需5 min，靶标识别与检测约需40 min，分析时间约为45 min（图4e）。与常规检测方法相比，ECB平台省去了核酸提取流程，将裂解预处理、特异性探针识别与电化学信号读出整合于同一分析体系，实现了对水体及沉积物样品的绝对定量。该策略不仅显著简化了操作步骤，亦有效降低了多步处理带来的样品损失与污染风险，为后续野外现场部署提供了便利。
图4. ECB（简化裂解样品）与qPCR（标准核酸提取样品）对水体和沉积物中nirS DNA/RNA定量结果及流程对比
野外现场多靶标监测
研究进一步尝试将该平台应用于野外现场样品的多靶标检测。以反硝化功能基因nirS、norB和nosZ的转录本（RNA）为靶标，通过更换识别探针即可在同一传感平台上实现对不同靶标的检测。海水和沉积物样品分别采自多个站位，ECB与qPCR的对比结果表明，两种方法的检测结果无显著差异且具有良好相关性，站位间变化趋势基本一致，初步验证了该平台在复杂环境基质中对不同靶标的定量可靠性。在上述验证基础上，研究进一步开展了传感装置的便携化集成，通过改进纳米通道固定方式与电化学池结构，实现功能化界面的快速安装与更换，并将便携式电化学工作站、电极及相关辅助设备整合于监测箱中，为野外现场应用提供了硬件支撑。
图5. ECB与qPCR测定海水样品中nirS、norB和nosZ转录本的结果对比
图6. ECB与qPCR测定沉积物样品中nirS、norB和nosZ转录本的结果对比
结语：面向现场微生物定量检测的新路径
针对当前环境微生物核酸定量检测依赖核酸提取、扩增及复杂仪器等技术局限，本研究建立了一种基于纳米通道电化学生物传感的检测方法。该方法以AAO纳米通道为基体，利用MoS2功能界面对单链核酸吸附、双链核酸解吸附的差异化亲和力，将靶标识别事件转化为空间位阻门控的电信号输出，在约45 min内完成从样品到结果的全流程分析。通过简化裂解结合直接检测，省去了复杂环境样品核酸提取与纯化步骤，无需扩增，显著缩短了检测时间并减少了样品处理引入的偏差与污染风险。在上述方法基础上，进一步开发了便携式监测箱，集可更换传感器、电化学检测模块及样品简单前处理单元于一体；通过更换识别探针即可适配不同靶标，并已在淡水、海水及沉积物样品中完成验证，为环境微生物核酸的现场快速定量监测提供了一种兼具时效性与便携性的技术方案。
基金资助
本研究得到国家重点研发计划（No. 2023YFC3208400）、华东师范大学仪器创制项目（No. ECNUIIP2026–05）、国家自然科学基金（Nos. 42222605, 42576172, 42030411, 42230505 and 42506137）、上海市科学技术委员会（No. 23590780200）以及上海市软科学研究项目（No. 25692113600）的资助。
原文信息
题目：Steric-gated nanochannel biosensor for amplification-free electrochemical quantification of microbial DNA and RNA in aquatic environments
作者：Yuan Su, Yanling Zheng*, Jie Zhou, Bolin Liu, Han Su, Cheng Yao, Lin Qi, Yixuan Wang, Yuhui Niu, Min Liu, Lijun Hou
期刊：Sensors and Actuators B: Chemical 467 (2026) 140580
DOI：10.1016/j.snb.2026.140580
作者简介
通讯作者：郑艳玲。华东师范大学地理科学学院，教授，博士生导师。近年来，着重探究了河口海岸湿地自然过程、人类活动、全球变化等对碳氮循环的影响与机制。研究成果以第一或通讯作者发表在Nature Communications、Science Advances、Global Change Biology、The ISME Journal、Water Research、Environmental Science & Technology等国际重要学术期刊上。主持科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金优青项目、面上项目和青年基金等国家级项目。受邀担任中国海洋学会海洋化学分会委员、中国自然资源学会湿地保护专业委员会委员、中国环境科学学会沉积物环境专业委员会委员兼副秘书长、中国生态学学会青年工作委员会委员等职务。
E-mail：ylzheng@geo.ecnu.edu.cn
第一作者：苏媛，华东师范大学地理科学学院自然地理学博士研究生，硕士毕业于西北大学化学与材料科学学院，目前研究方向为河口海岸氮素生物地球化学循环。以第一作者身份在Sensors and Actuators B: Chemical，Analytica Chimica Acta，ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表文章。
E-mail：52283901020.ecnu.edu.cn
