组成图示
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传感器类型
化学发光生物传感器
检测对象
乙酰胆碱（acetylcholine, AcCh；实验用乙酰胆碱氯化物 acetylcholine chloride, AcChCl）；样品基质为 TRIS/HCl 缓冲液（pH 7.4）中的芯片微反应液/384 孔板微孔液。
检测原理
固定于 GaP 纳米树金端帽的 AcChE 催化乙酰胆碱水解，生成胆碱。反应 10 min 后取 5 μl 样品至 384 孔板，胆碱被胆碱氧化酶（ChO）氧化并产生过氧化氢，辣根过氧化物酶（HRP）催化过氧化氢氧化鲁米诺，生成激发态 4-氨基邻苯二甲酸盐并发射光子。CCD 相机记录发光强度，强度随初始乙酰胆碱浓度增加而增大。纳米树增大金表面积，提高 AcChE 负载与活性，从而放大信号。拟用 RISFET 电场聚焦带电产物形成导电通道；量子化学计算表明小于 1 MV/m 的电场基本不改变 AcChE 反应势垒，约 10 MV/m 以上才可能显著影响动力学。
检测灵敏度
未报告 LOD/线性范围/斜率/R^2；最大发光强度: 3900 ADU（纳米树）、1800 ADU（纳米棒）、1300 ADU（非特异吸附）。
效应效果
在相同批次中，AcChE 功能化纳米树最大化学发光强度为 3900 ADU，约为纳米棒（1800 ADU）的两倍；非特异吸附 AcChE 约 1300 ADU，说明硫醇-EDC/NHS 共价固定有效，纳米树因金表面积更大而负载更多活性酶。未 EDC 活化的硫醇化样品无可比强度。发光信号约 15 min 稳定，酶反应优化 10 min。量子化学计算：无电场势垒 50 kJ/mol，1、10、100、1000 MV/m 下最大变化为 ±0.031、±0.31、±3.1、±31 kJ/mol，表明 <1 MV/m 电场不影响 AcChE。作者认为纳米树 RISFET 阵列可用于低样品量、少废物的多分析物农药现场检测，并引用 RISFET 曾达约 20 ng/L 农药检测水平。
传感器的构成
- 基底/换能器：热氧化重掺杂 Si 晶圆，表面沉积 100 nm SiOx 和 30 nm SiNy（SiNx）层；拟用于 RISFET 传感电极间隙。
- 纳米支撑层：GaP 纳米棒/分支纳米树（trunk 约 500 nm×40 nm，branches 约 40 nm×20 nm），低导电，将活性表面抬离芯片表面。
- 金端帽：Au 气溶胶纳米颗粒种子保留在纳米棒/分支尖端，提供金表面用于硫醇偶联。
- 自组装修饰层：11-巯基十一烷酸（MUA）在金表面形成自组装单分子层，提供羧基。
- 活化/交联层：EDC/NHS 将 MUA 羧基活化为 NHS 酯，与 AcChE 氨基共价结合。
- 识别/催化元件：乙酰胆碱酯酶（AcChE），固定于金端帽，催化乙酰胆碱水解生成胆碱。
- 信号转换酶：胆碱氧化酶（ChO）和辣根过氧化物酶（HRP），在微孔中将胆碱氧化并催化鲁米诺发光。
- 发光底物/读出：Supersignal ELISA Pico 鲁米诺底物产生光子，由 Peltier 冷却 CCD 相机（Hamamatsu Orca ER）在 384 孔板中成像。
中文摘要
本文报道了一种用于检测乙酰胆碱的新型芯片上纳米树酶反应器。该反应器拟用于区域离子敏感场效应晶体管（RISFET）纳米传感器，由生长在氮化硅（SiNx）覆盖晶圆上的金端部分支磷化镓（GaP）纳米棒结构构成。作者展示了两种反应器：一种为简单一维纳米棒，另一种为分支纳米棒结构（纳米树）。结果表明，纳米树反应器的酶活性显著高于纳米棒反应器，最可能原因是金表面积增大，从而提高了乙酰胆碱酯酶（AcChE）的结合容量。论文还通过理论计算说明，在电子生物传感器中控制酶活性位点附近的电场可影响酶动力学并提高灵敏度。采用量子化学方法研究了 RISFET 中电场对 AcChE 功能的影响，结果显示所用较小电场强度不太可能影响酶动力学。AcChE 活性通过胆碱氧化酶和过氧化物酶测定反应生成的胆碱，并利用鲁米诺化学发光反应进行检测。
英文摘要
A novel lab-on-a-chip nanotree enzyme reactor is demonstrated for the detection of acetylcholine. The reactors are intended for use in the RISFET (regional ion sensitive field effect transistor) nanosensor, and are constructed from gold-tipped branched nanorod structures grown on SiN(x)-covered wafers. Two different reactors are shown: one with simple, one-dimensional nanorods and one with branched nanorod structures (nanotrees). Significantly higher enzymatic activity is found for the nanotree reactors than for the nanorod reactors, most likely due to the increased gold surface area and thereby higher enzyme binding capacity. A theoretical calculation is included to show how the enzyme kinetics and hence the sensitivity can be influenced and increased by the control of electrical fields in relation to the active sites of enzymes in an electronic biosensor. The possible effects of electrical fields employed in the RISFET on the function of acetylcholine esterase is investigated using quantum chemical methods, which show that the small electric field strengths used are unlikely to affect enzyme kinetics. Acetylcholine esterase activity is determined using choline oxidase and peroxidase by measuring the amount of choline formed using the chemiluminescent luminol reaction.