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A boosting upconversion luminescent resonance energy transfer and biomimetic periodic chip integrated CRISPR/Cas12a biosensor for functional DNA regulated transduction of non-nucleic acid targets

生物传感器 核酸 脱氧核酶 清脆的 光子上转换 适体 纳米技术 发光 核酸定量 费斯特共振能量转移 化学 DNA 生物化学 生物 材料科学 光电子学 物理 分子生物学 基因 荧光 量子力学
作者
Chengyu Li,Bei Zheng,Yuheng Liu,Jia-Ling Gao,Ming-Qiu Zheng,Dai‐Wen Pang,Hong‐Wu Tang
出处
期刊:Biosensors and Bioelectronics [Elsevier BV]
卷期号:169: 112650-112650 被引量:82
标识
DOI:10.1016/j.bios.2020.112650
摘要

Apart from gene editing capacity, the newly discovered CRISPR/Cas systems offer an exciting option for biosensing field because of their excellent target recognition accuracy. However, the currently constructed sensors are not only limited to nucleic acid analysis but also suffer from poor adaptability in complex samples and unsatisfying sensitivity. We herein introduce some advanced concepts to break through these bottlenecks. First, the sensing targets are extended by skillfully designing a functional DNA such as aptamer (for protein) and DNAzyme (for metal ion) to regulate the transduction of non-nucleic acid species and further activate the trans cleavage of CRISPR/Cas12a. Second, a boosting upconversion luminescent resonance energy is triggered by using a peculiar energy-confining notion, whereby the luminescence domain is intensively restricted in a very narrow space (~2.44 nm) and up to 92.9% of the green emission can be quenched by the approaching BHQ-1 modified reporters. Third, a bio-inspired periodic arrangement biomimetic chip (photonic crystal) is employed to selectively reflect the upconversion luminescence to achieve noteworthy signal enhancement (~35-fold). By utilizing very simple detection devices (a 980 nm portable laser and a smartphone), the CRISPR/Cas12a biosensor shows commendable sensitivity and specificity toward model targets (ATP and Na+, limits of detection are ~ 18 nM and ~0.37 μM, respectively). More importantly, the analysis of real complex samples demonstrate that the as-proposed platform can work as a powerful toolbox for monitoring the ATP fluctuation in single cell and point-of-care testing Na+ in human plasma, enabling a broad application prospect.
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