阿里尔・弗斯特实验室开发的电化学传感器由附着在廉价金箔电极上的 DNA 组成，该电极被层压在塑料片上。图片来源：研究人员提供；麻省理工学院新闻编辑

麻省理工学院的研究人员利用涂有 DNA 的廉价电极，设计出可一次性使用的诊断工具，这种工具经调整后可检测多种疾病，包括癌症或流感、艾滋病等感染性疾病。

这些电化学传感器利用了 CRISPR 基因编辑系统中的 DNA 切割酶。当该酶检测到癌基因等目标时，会开始非特异性地从电极上剪切 DNA，如同割草机割草般改变产生的电信号。

这类传感技术的主要局限在于覆盖电极的 DNA 会快速分解，导致传感器无法长期储存且储存条件严苛，限制了使用场景。在一项新研究中，MIT 研究人员通过聚合物涂层稳定 DNA，使传感器可储存长达两个月，甚至在高温环境下仍能保持性能。储存后，传感器成功检测到常用于前列腺癌诊断的基因。

该研究资深作者、MIT 化学工程系保罗・M・库克职业发展助理教授阿里尔・弗斯特表示，这种基于 DNA 的传感器成本仅约 50 美分，可能为资源匮乏地区提供更经济的疾病诊断方案。
“我们关注的是多数人难以获取的诊断工具，目标是开发即用型传感器。人们无需前往诊所，在家即可完成检测。” 弗斯特说。

MIT 研究生周兴成是发表在《美国化学学会・传感器》期刊论文的第一作者，其他作者包括 MIT 本科生杰西卡・斯劳特、2024 届学生斯马赫・里基和研究生郭昭志。

廉价的传感器

电化学传感器通过测量目标分子与酶相互作用时的电流变化实现检测，与血糖仪检测血样中葡萄糖浓度的技术原理相同。

弗斯特实验室开发的电化学传感器结构如下：DNA 通过含硫分子（硫醇）附着在廉价金箔电极上，电极被层压至塑料片。2021 年的研究显示，该传感器可检测 HIV 和人乳头瘤病毒（HPV）的遗传物质。其工作机制为：引导 RNA 链设计成能结合任意 DNA/RNA 序列，与 Cas12 酶相连（Cas12 与 CRISPR 基因编辑的 Cas9 同属蛋白质家族，激活后可非特异性切割 DNA）。

当目标存在时，会与引导 RNA 结合并激活 Cas12，进而切割电极上的 DNA，改变电极电流，该电流可通过恒电位仪（与手持血糖仪技术相同）测量。
“Cas12 激活时就像割草机，切断电极上所有 DNA，从而关闭信号。” 弗斯特比喻道。

突破性的稳定性提升

早期传感器版本中，DNA 需在使用前即时添加，因 DNA 稳定性差。新研究中，团队用聚乙烯醇（PVA）聚合物涂层提升 DNA 稳定性 —— 每次涂层成本不足 1 美分，干燥后形成保护膜，犹如 “防水布” 阻挡活性氧等破坏因素（活性氧会损伤 DNA 或破坏金硫键导致 DNA 脱落）。

实验证实，该涂层使传感器在高达 150 华氏度环境下仍可储存至少两个月。储存期满后，冲洗掉聚合物，传感器仍能检测尿液中的前列腺癌基因 PCA3。

应用前景与商业化探索

这类检测可适配尿液、唾液、鼻拭子等多种样本，团队希望借此开发更廉价的感染性疾病诊断工具（如 HPV、HIV），也可用于新发传染病检测。弗斯特实验室团队已入选 MIT 创业加速器 delta v，计划成立初创公司推进技术转化。

“此前局限于现场制造传感器，如今可运输且无需冷藏，能在更多恶劣环境中应用。” 弗斯特表示，下一步将在真实场景中用患者样本测试更多疾病。

成功的检测

研究人员证实，这种涂层可保护传感器上的 DNA 至少两个月，甚至能耐受高达约 150 华氏度的温度。两个月后，他们冲洗掉聚合物，结果显示传感器仍能检测到 PCA3—— 一种可在尿液中发现的前列腺癌基因。

这类检测可适用于多种样本，包括尿液、唾液或鼻拭子。研究人员希望利用该方法开发更廉价的感染性疾病诊断工具，例如可在诊所或家庭使用的 HPV 或 HIV 检测。他们还指出，这种方法也可用于开发针对新发传染病的检测手段。

弗斯特实验室的一组研究人员最近入选了麻省理工学院的学生创业加速器 delta v，他们希望在此创办初创公司以进一步开发该技术。如今研究人员已能制造保质期更长的检测工具，计划开始将其运输到可使用患者样本进行测试的地点。

“我们的目标是继续在真实环境中用患者样本测试不同疾病，” 弗斯特说，“此前的局限是必须在现场制造传感器，但现在有了保护措施，我们可以运输它们，无需冷藏。这让我们能在更多恶劣或非理想的环境中开展检测。”

更多信息：周兴成等，《用于固定化 DNA 长期储存的聚合物涂层》，《美国化学学会・传感器》（2025）。DOI：10.1021/acssensors.5c00937

期刊信息：《美国化学学会・传感器》

由麻省理工学院提供

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