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Aptamer-Amplified and CRISPR-Cas12a-Assisted Dual-Mode PEC-SERS Biosensor for Ultrasensitive Detection of Inflammatory Bowel Disease Biomarkers

化学 适体 检出限 生物传感器 分析物 线性范围 纳米技术 色谱法 分子生物学 生物化学 材料科学 生物
作者
Fanglei Liu,Luqing Chen,Zhu Liu,J.J. Liu,Min Li,Yao Chen,Guohai Yang,Lulu Qu
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:97 (27): 14377-14387
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.5c01481
摘要

Inflammatory bowel disease (IBD) has proven to be a critical global health problem characterized by severe life-threatening complications; thus, the development of noninvasive, reliable, and cost-effective diagnostic methods remains an urgent clinical need. Herein, a novel photoelectrochemical (PEC) and surface-enhanced Raman scattering (SERS) dual-mode platform was successfully developed for ultrasensitive detection of IBD-associated biomarkers, matrix metalloproteinases-9 (MMP-9), and intestinal alkaline phosphatase (IAP). A bifunctional covalent organic frameworks/MXene-Au substrate was synthesized with excellent PEC and SERS properties. An aptamer-based amplification strategy was first employed for MMP-9 detection, which was also the basis for the detection of IAP. The magnetic bead-conjugated double-stranded DNA was then designed to generate activator DNA in the presence of IAP, which activated the trans-cleavage activity of the CRISPR-Cas12a system. The resultant Cas12a specifically cleaved the electrode-immobilized single-stranded DNA (ssDNA), triggering the release of methylene blue as a dual-signal reporter, thereby enabling synchronized PEC-SERS detection for MMP-9 and IAP. The biosensor exhibited a wide linear range with detection limits of 0.074 pg/mL (PEC) and 0.016 pg/mL (SERS) for MMP-9, and 0.38 pg/mL (PEC) and 0.16 pg/mL (SERS) for IAP, respectively. Significantly, clinical validation was performed using a murine IBD model and human intestinal inflammation specimens, confirming the practical utility of the PEC-SERS platform. This study establishes a robust dual-mode biosensing strategy with multicomponent detection, enabling advanced biological analysis and precision health monitoring.
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