由Sporisorium scitamineum引起的甘蔗黑穗病是一種嚴重的全球性疾病，會感染甘蔗的維管組織，形成鞭狀黑穗病瘤（Bhuiyan，2021）。這會導致植物生長受阻、分蘗異常以及產量顯著下降（Vasantha，2012）。研究表明，甘蔗黑穗病可導致產量損失高達30%-100%，并顯著縮短甘蔗的生命周期，從而增加生產成本（Que，2014）。在澳大利亞，易感品種的產量損失可能超過60%，該疾病通過受感染的種植材料和風傳播的孢子傳播，使得控制工作更加困難（Rao等人，2020）。此外，甘蔗黑穗病還會顯著降低糖分含量，從而降低經濟效益。
現有的甘蔗病原體檢測技術主要包括qPCR、環介導等溫擴增（LAMP）、逆轉錄聚合酶鏈反應（RT-PCR）、高光譜成像和卷積神經網絡（CNN）圖像識別。然而，這些方法存在顯著局限性。雖然qPCR具有高靈敏度，但需要昂貴的設備和專門的操作技能，不適合現場使用。LAMP操作簡便，但其引物設計復雜，結果解釋具有主觀性，并且對目標突變敏感（Akhmetzianova，2024）。RT-PCR需要額外的逆轉錄步驟，耗時較長。高光譜成像和CNN技術具有非侵入性潛力，但依賴于昂貴的設備或需要大量標記數據進行模型訓練，且現場環境干擾是一個主要挑戰（Xu，2024）。此外，傳統的組織印跡雜交和Southern印跡方法繁瑣且成本高昂，不適合大規模現場應用（Netzer，1999）。總之，現有技術在靈敏度、操作便捷性和成本效益方面仍面臨挑戰，迫切需要開發更高效、低成本的檢測解決方案。
自供電生物傳感器可以直接將生化能量轉換為電信號，為便攜式、微型化檢測技術提供了新的方向。其核心原理是使用生物燃料電池從目標分子（如葡萄糖或乳酸）的氧化還原反應中生成電流，從而無需外部電源即可進行原位檢測（Wang，2021；Arkhypova，2024）。然而，現有的自供電生物傳感器仍面臨重大挑戰。低功率密度和輸出電壓不足限制了其在復雜環境中的實用性，天然酶的低電子轉移效率和電極固定技術的不足是關鍵瓶頸。傳統的基于酶的生物傳感器存在酶失活、催化效率低等問題，阻礙了高靈敏度檢測（Fan，2023；Shirazi，2020）。此外，電極材料固定技術也影響了信號放大。另外，穩定性差和環境適應性不足進一步限制了其發展。
B-GDY因其高導電性、大的比表面積和優異的催化活性，成為自供電傳感器電極設計的理想材料（Wang & Kang，2025；Lu，2018）。與傳統的石墨烯相比，硼摻雜顯著提高了電子轉移效率，優化了材料的導電性和化學穩定性，為后續的酶固定和信號放大奠定了堅實基礎。進一步的研究表明，石墨二炔/金納米粒子（AuNPs）復合材料可以有效促進電子轉移，由于其大的比表面積，為酶或核酸探針的固定提供了豐富的位點，從而顯著提高了生物電極的輸出性能和穩定性（Ma，2022）。基于這些優勢，本研究將硼摻雜策略與金納米粒子結合，成功制備了B-GDY/AuNPs納米復合材料，用作核心電極材料，以實現更高的導電性、更強的催化活性和更好的探針負載能力。
CRISPR/Cas12a系統憑借其獨特的trans-切割非特異性活性，正在革新分子診斷領域。與傳統CRISPR/Cas9系統不同，Cas12a不僅特異性切割目標序列，還能非特異性切割周圍的單鏈DNA（Deng，2024）。這種“一次切割多次切割”的特性使其成為核酸檢測的理想工具。一個激活的Cas12a蛋白可以在一小時內切割超過1000個報告分子，產生顯著的信號放大效應（Lee，2022；Asadi & Mollasalehi，2021）。這種高效的切割能力結合其常溫反應條件和高特異性，在病原體檢測和基因分型方面具有獨特優勢。更重要的是，其trans-切割活性不受目標序列的限制，使得可以設計出通用的報告系統。通過優化電化學標記的ssDNA報告探針，它可以靈活適應各種檢測平臺。
單鏈DNA擴增（SDA）技術作為一種高效的等溫核酸擴增方法，利用DNA聚合酶的鏈置換活性在恒定溫度下實現目標序列的指數級擴增（Yang，2024；Yang，2024）。其機制始于特定引物與模板的結合，隨后通過聚合酶進行鏈延伸，并在特定位點被限制性內切酶切割，形成循環擴增過程。這使得擴增效率在30–60分鐘內達到106至109倍（Yang，2024；Yang，2024）。在自供電電化學傳感平臺上，這種擴增技術與納米材料修飾的電極結合使用時表現出優異的協同效應。例如，最近的研究將SDA擴增產物與功能化的金納米粒子耦合，通過DNA酶催化生成電化學信號，將檢測靈敏度提升到aM水平，為超靈敏檢測提供了新的技術途徑（Neves，2022）。
檢測甘蔗黑穗病的主要挑戰是消除傳統qPCR技術的實驗室依賴性，實現在現場進行超靈敏、便攜的檢測。本研究提出了一種創新的四重協同信號放大機制，利用摻硼的石墨二炔（B-GDY）電極優化電子傳輸，結合CRISPR/Cas12a-SDA核酸擴增以實現目標信號增強，采用DNA酶催化提高反應效率，并整合了電容器輔助的信號增強策略。
該設計解決了三個關鍵問題：利用B-GDY的sp/sp2雜化和硼摻雜構建高效的電子傳輸通道；協調CRISPR的trans-切割活性與SDA的等溫擴增以實現最佳信號輸出；微調電容器參數以最大化電流輸出。
實驗結果顯示，該傳感器的檢測限達到41.56 aM（比傳統方法提高了4.9倍），檢測范圍為0.0001–100 pM，并通過葡萄糖氧化實現自供電功能，信號穩定性超過95%，持續時間長達12天。這項研究不僅提供了一種新的植物疾病診斷方法，還為設計多機制協同生物傳感器提供了理論框架。
