组成图示
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传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
目标DNA（target DNA/cDNA，PAT基因20碱基片段）；样品基质：2× SSC杂交缓冲液（pH 7.0）
检测原理
该传感器采用无标记电位法检测DNA杂交，未使用酶催化或核酸扩增。带负电的探针ssDNA通过静电作用固定在(CA-GNP/SPAN)n多层膜外层CA-GNP上；目标DNA加入后与探针杂交形成双链DNA，使电极界面负电荷密度增加。界面负电荷排斥溶液中的[Fe(CN)6]3−/4−氧化还原介质接近导电膜，导致电子转移阻力增大。SPAN纳米纤维提供自掺杂导电通路，CA-GNP促进电荷跨膜转移，使介质电子转移变化可被电极感知。恒电流计时电位法施加恒定电流，过电位ΔE=IR′随总电极电阻R′增大而升高；电化学阻抗谱中半圆直径对应电子转移电阻Ret，也随杂交程度增大。ΔR′或ΔRet与目标DNA浓度对数呈线性关系，从而实现定量检测。
检测灵敏度
LOD: 2.13 × 10−13 mol/L（CP，3σ）；LOD: 2.34 × 10−13 mol/L（EIS，3σ）；线性范围: 1.0 × 10−12 mol/L–1.0 × 10−7 mol/L；R = 0.9899（CP）；R = 0.9931（EIS）；斜率: 177.14 Ω/decade（CP）；斜率: 204.91 Ω/decade（EIS）。
效应效果
该传感器对完全互补目标DNA响应明显，非互补DNA响应可忽略，单碱基和双碱基错配DNA响应较小，可区分错配序列。探针电极在0.1 mol/L NaOH、HCl、Tris–HCl（pH 7.0）和2× SSC（pH 7.0）中浸泡60 min后过电位无下降；(CA-GNP/SPAN)3膜在B–R缓冲液（pH 7.0）放置40 h后峰电流下降约10%，随后至少10 d无进一步下降。检测1.0×10−10 mol/L目标DNA时，5个平行电极ΔE为238、234、232、228、226 mV，RSD为2.82%（n=5）。沸水10 min变性后可再生并重复5次不损失灵敏度。CP测量30 s内完成，快于EIS，可用于PAT基因快速定性检测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：金电极（Au electrode），经清洗、抛光和电化学活化，提供导电基底与电子转移动力。
- 自组装前驱层：3-巯基丙酸（MPA）自组装膜，在金表面形成稳定界面，其羧基经EDC活化后用于连接CA-GNP。
- 共价稳定层：半胱胺包覆金纳米颗粒（CA-GNP），通过EDC与MPA共价沉积，形成稳定导电界面并提供氨基/正电荷位点。
- 多层导电膜：磺化聚苯胺纳米纤维（SPAN）与CA-GNP交替层层组装为(CA-GNP/SPAN)n，SPAN提供自掺杂导电性，CA-GNP稳定SPAN并促进电荷转移。
- 识别元件：探针单链DNA（ssDNA），带负电磷酸骨架通过静电亲和固定在外层CA-GNP上，用于特异性识别目标DNA。
- 信号介质：[Fe(CN)6]3−/4−氧化还原电对，作为无标记检测的氧化还原指示剂，其接近电极的电子转移受DNA负电荷影响。
- 读出装置：电化学工作站（CHI 660C），通过恒电流计时电位法（CP）和电化学阻抗谱（EIS）记录过电位、总电阻或电子转移电阻。
中文摘要
本文报道了一种基于磺化聚苯胺（SPAN）纳米纤维与半胱胺包覆金纳米颗粒（CA-GNP）层层组装膜的电化学DNA生物传感器，用于核酸的快速、特异性无标记检测。首先在金电极表面自组装3-巯基丙酸（MPA）前驱膜，并通过EDC活化将CA-GNP共价沉积于Au/MPA电极，形成稳定导电基底；随后利用静电作用将SPAN纳米纤维与CA-GNP交替层层组装为(CA-GNP/SPAN)n膜。循环伏安法以[Fe(CN)6]3−/4−为氧化还原指示剂监测多层膜生长，该膜在中性介质中电子转移良好。带负电的探针单链DNA（ssDNA）通过静电亲和固定在外层CA-GNP上。恒电流计时电位法（CP）和电化学阻抗谱（EIS）以溶液中的[Fe(CN)6]3−/4−为介质，用于探针固定与杂交的电化学读出；EIS表征电子转移电阻，CP提供界面总电阻，二者与导电支撑上的电子转移电阻具有良好相关性。CP可在数秒内完成，适合作为快速换能手段。基于(CA-GNP/SPAN)n膜，20碱基目标DNA的检测限为2.13×10−13 mol/L，并展示了检测错配DNA的可行性。
英文摘要
This paper described a novel electrochemical DNA biosensor for rapid specific detection of nucleic acids based on the sulfonated polyaniline (SPAN) nanofibre and cysteamine-capped gold nanoparticle (CA-G(NP)) layer-by-layer films. A precursor film of 3-mercaptopropionic acid (MPA) was firstly self-assembled on the Au electrode surface. CA-G(NP) was covalently deposited on the Au/MPA electrode to obtain a stable substrate. SPAN nanofibre and CA-G(NP) were alternately layer-by-layer assembled on the stable substrate by electrostatic force. Cyclic voltammetry was used to monitor the consecutive growth of the multilayer films by utilizing [Fe(CN)(6)](3-/4-) as the redox indicator. The (CA-G(NP)/SPAN)(n) films showed satisfactory ability of electron transfer and excellent redox activity in neutral media. Negatively charged probe ssDNA was immobilized on the outer layer of the multilayer film (CA-G(NP)) through electrostatic affinity. Chronopotentiometry and electrochemical impedance spectroscopy were employed to obtain the direct electrochemical readout for probe ssDNA immobilization and hybridization using [Fe(CN)(6)](3-/4-) in solution as the mediator. While electrochemical impedance spectroscopy led to the characterization of the electron-transfer resistance at the electrode, chronopotentiometry provided the total resistance at the interfaces of the modified electrodes. A good correlation between the total electrode resistances and the electron-transfer resistances at the conducting supports was found. Chronopotentiometry was suggested as a rapid transduction means (a few seconds). Based on the (CA-G(NP)/SPAN)(n) films, the target DNA with 20-base could be detected up to 2.13x10(-13)mol/L, and the feasibility for the detection of base-mismatched DNA was also demonstrated.