组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
茶碱（theophylline，1,3-dimethylxanthine）；样品基质：血清（serum，20× diluted serum）及 HEPES 缓冲液
检测原理
该传感器采用无标记构象开关机制。固定于金电极的 33 nt RNA 适配体在无茶碱时呈开放构象，Fc 探针距电极较远，电子转移速率低，DPV 峰电流弱。茶碱进入适配体结合口袋后，通过堆积和氢键作用诱导 RNA 折叠为受限发夹构象，使 Fc 探针平均距离电极表面缩短，Fc/Fc+ 异相电子转移效率提高，峰电流随茶碱浓度增加。该过程无需酶或荧光标记，信号放大主要来自配体诱导的构象重排和电子转移距离缩短；可选 10-mer DNA 锁定链可进一步降低背景，茶碱通过竞争置换释放锁定链并触发响应。
检测灵敏度
LOD: 0.2 µM；动态范围: 0.2–10 µM
效应效果
传感器在 20 倍稀释血清（HEPES 缓冲液加 ProtectRNA RNase inhibitor）中可响应茶碱；直接稀释血清中信号受抑制，4 µM 以上无增加，转入空白缓冲液后恢复校准响应。选择性方面，1 mM 咖啡因和 0.01 mM 可可碱无明显干扰；无茶碱时 4–10 µM 可可碱响应低于茶碱的 9%，50 倍过量 0.1 mM 可可碱仅增加约 10% 响应。响应较快，<8 µM 时 2 min 内达 99% 最终信号，较高浓度 5 min 内完成；锁定型 >1 µM 时 5–15 min。洗涤或 6 M guanidinium hydrochloride 过夜处理后背景恢复 50–70%。RNase-free 条件下 4 °C 保存两周活性不降。作者认为其比荧光法更灵敏、比色谱法（约 3 h）更快，适合血清茶碱快速选择性检测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：金电极（Au electrode），提供导电基底与电子转移界面。
- 识别元件：33 nt RNA aptamer（theophylline-binding RNA aptamer），5′-C6-disulfide 端经硫醇化学固定于金表面，特异性识别茶碱。
- 信号标记物：ferrocene（Fc）redox probe，经 Fc-carboxylic acid N-hydroxysuccinimide ester 共价连接至 3′-amino 端，提供 Fc/Fc+ 电化学信号。
- 封闭剂：6-mercaptohexanol，封闭剩余金表面，降低非特异吸附并调控界面电子转移。
- 可选锁定链：10-mer DNA，与 RNA aptamer 互补结合锁定开放构象，茶碱结合后竞争置换。
中文摘要
茶碱是治疗哮喘的常用支气管扩张剂，有效血浆浓度窗口窄（20–100 µM），高浓度可致毒性。现有气/液相色谱和免疫分析常受结构相近的咖啡因和可可碱干扰。本文首次报道一种基于 RNA 适配体的无标记电化学传感器用于检测茶碱。该传感器以 33 nt RNA 适配体为识别元件，5′-C6-disulfide 端通过硫醇化学固定于金电极，3′-amino 端共价连接 ferrocene（Fc）氧化还原探针，剩余金表面用 6-mercaptohexanol 封闭。无茶碱时适配体呈开放构象，Fc 远离电极，电子转移弱；结合茶碱后形成发夹构象，Fc 靠近金表面，Fc/Fc+ 电子转移效率提高，差分脉冲伏安法峰电流增强。传感器在 HEPES 缓冲液及 20 倍稀释血清中可检测茶碱，检出限 0.2 µM，动态范围 0.2–10 µM，对 1 mM 咖啡因和 0.01 mM 可可碱无明显干扰，响应数分钟完成，4 °C 保存两周仍保持活性。
英文摘要
An electrochemical RNA aptamer-based biosensor for rapid and label-free detection of the bronchodilator theophylline was developed. The 5'-disulfide-functionalized end of the RNA aptamer sequence was immobilized on a gold electrode, and the 3'-amino-functionalized end was conjugated with a ferrocene (Fc) redox probe. Upon binding of theophylline the aptamer switches conformation from an open unfolded state to a closed hairpin-type conformation, resulting in the increased electron-transfer efficiency between Fc and the electrode. The electrochemical response, which was measured by differential pulse voltammetry, reaches saturation within a few minutes after addition of theophylline, and the dynamic range for detecting theophylline is 0.2-10 muM. The electrode displays an inhibited response when applied directly in serum samples treated with RNase inhibitors; however a full response to the theophylline serum concentration was obtained by transferring the electrode to blank serum-free buffer solutions. It was demonstrated that theophylline is detected with high selectivity in the presence of caffeine and theobromine.