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
目标单链DNA（target ssDNA，TP1等寡核苷酸）；样品基质：tris-HCl缓冲液（pH 7.4）
检测原理
巯基化捕获探针CP1固定于金电极，目标ssDNA TP1杂交形成dsDNA层。ssDNA层电荷传输差，信号低；dsDNA层为表面Fc中心到电极提供长程电荷传输通道，目标浓度越高，形成的dsDNA和结合Fc越多，伏安电流越大。Fc-Zn(II)-cyclen配合物R1/R3通过Zn(II)与胸腺嘧啶/TpT的酰亚胺基团形成强螯合，选择性结合双链；其螯合会破坏A–T碱基堆积，错配序列进一步扰乱堆积，使电荷传输受阻、电流下降。加入二乙胺（DEA）后，表面Fc+氧化DEA并再生Fc，形成电催化循环，放大电流。最终通过CV/SWV读取电流变化实现DNA杂交检测。
检测灵敏度
LOD: 100 fM (S/N = 3)；R1 LOD: 250 fM；动态范围: 150 fM–1.0 µM（原文称 covering 6 orders of magnitude）；无催化SWV可检测至100 pM
效应效果
该传感器对互补目标DNA响应显著，非互补序列信号接近空白，单碱基错配使电流降低约30%（无催化）或>25%（电催化），显示高序列选择性。电催化条件下，150 pM目标DNA重复测量RSD为8.2%（n=6）；R1/R3结合步骤四个独立电极RSD为4.5–6.3%。电极4°C保存20天后，150 pM目标信号仅下降9.3%，可重复使用。未报告实际样品加标回收率。LOD 100 fM，比无酶方法低10倍，与碳纳米管放大、酶放大安培及生物金属化方法相当，适合低成本便携DNA检测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：多晶金（Au）圆盘电极，提供电子传导与表面修饰平台
- 自组装单层：巯基化捕获探针CP1（5′-HS(CH2)6-…-3′）与11-巯基十一烷醇（MCU）混合自组装，固定捕获探针并降低非特异吸附
- 识别元件：目标单链DNA（TP1）与CP1杂交形成双链DNA（dsDNA）层，提供T/TpT识别位点
- 信号识别/换能元件：二茂铁（Fc）-Zn(II)-cyclen配合物R1（Fc[Zn(cyclen)H2O]2(ClO4)4）或R3（Fc[Zn(cyclen)H2O](ClO4)2），螯合T/TpT并携带Fc氧化还原中心
- 电子供体/电催化底物：二乙胺（DEA，2.5 mM，100 mM tris-HCl pH 7.4），被表面Fc+氧化再生Fc，放大电流
- 检测读出：BAS 100B电化学工作站，循环伏安/方波伏安，Ag/AgCl参比电极与Pt对电极
中文摘要
本文报道了一种高选择性、高灵敏度的电化学DNA生物传感器，用于检测DNA杂交。该传感器采用夹心法：将巯基化捕获探针预固定于金电极表面，再与目标DNA杂交形成双链DNA层。通过循环伏安/方波伏安检测携带二茂铁（Fc）的锌(II)-cyclen（1,4,7,10-四氮杂环十二烷）配合物（R1–R4）产生的氧化还原信号。R1或R3可与双链中特定胸腺嘧啶（T/TpT）位点发生强螯合，破坏A–T碱基堆积，从而显著抑制DNA介导的长程电荷传输，使信号对目标序列具有明显选择性。将表面结合Fc-Zn-cyclen配合物的氧化还原过程与胺类电子供体（DEA）的电催化氧化偶联，可放大电流响应，使目标DNA检出限达100 fM。该传感器对单碱基错配和非互补序列均表现出优异选择性，并具有良好的稳定性和可重复使用性。
英文摘要
A highly selective and sensitive electrochemical biosensor has been developed that detects DNA hybridization by employing the electrocatalytic activity of ferrocene (Fc) bearing cyclen complexes (cyclen = 1,4,7,10-tetraazacyclododecane, Fc[Zn(cyclen)H(2)O](2)(ClO(4))(4) (R1), Fc(cyclen)(2) (R2), Fc[Zn(cyclen)H(2)O](ClO(4))(2) (R3), and Fc(cyclen) (R4)). A sandwich-type approach, which involves hybridization of a target probe hybridized with the preimmobilized thiolated capture probe attached to a gold electrode, is employed to fabricate a DNA duplex layer. Electrochemical signals are generated by voltammetric interrogation of a Fc bearing Zn-cyclen complexes that selectively and quantitatively binds to the duplex layers through strong chelation between the cyclen complexes and particular nucleobases within the DNA sequence. Chelate formation between R1 or R3 and thymine bases leads to the perturbation of base-pair (A-T) stacking in the duplex structure, which greatly diminishes the yield of DNA-mediated charge transport and displays a marked selectivity to the presence of the target DNA sequence. Coupling the redox chemistry of the surface-bound Fc bearing Zn-cyclen complex and dimethylamine provides an electrocatalytic pathway that increases sensitivity of the assay and allows the 100 fM target DNA sequence to be detected. Excellent selectivity against even single-base sequence mismatches is achieved, and the DNA sensor is stable and reusable.