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
DNA靶标序列（DNA target oligonucleotides D1/D2/D3，含单碱基错配SNP序列）；样品基质：磷酸盐缓冲液中的纯化DNA寡核苷酸及粗细菌RNA提取物（P. putida、E. coli）
检测原理
该传感器以两种不同二茂铁衍生物标记的PNA探针P1和P2作为识别与信号元件，共固定于金电极。P1和P2的Fc0/+氧化还原电位不同，可分别产生两个可区分的电化学峰。当靶标DNA与对应PNA杂交时，柔性单链PNA转变为较刚性的PNA–DNA双链，限制N端二茂铁接近金表面，电子转移受阻，导致相应峰电流下降；同时DNA负电骨架使Fc0/+峰电位负移。另一未杂交探针作为内部参考，其信号基本不变，因此可通过峰电流变化、峰电位变化及两峰电位差变化判断杂交事件。完全互补序列引起较大电流下降和电位差变化，单碱基错配序列因杂交稳定性较低而响应幅度显著减小，从而实现SNP区分。信号经SWV/CV读出，并通过背景扣除与高斯解卷积/差分分析获得清晰杂交信号。
检测灵敏度
原文未报告LOD、线性范围或灵敏度斜率。
效应效果
该传感器在单电极上同时识别两种DNA序列：D1杂交使P1峰电流下降而P2几乎不变，电位差增加+8.3 mV；D2杂交使P2峰电流下降、P1信号因二次电子转移增强，电位差减少−11.5 mV。单碱基错配序列D3的响应趋势与D2相同但幅度显著较小，表明可区分完全互补与SNP错配。表面探针浓度约为21.9±2.7 pmol cm−2，分子足迹约25.8±3.0 nm2，P1/P2表面比在1:0.66至1:1.30之间。粗细菌RNA提取物实验中，CV/SWV信号质量良好，传感器对粗细胞裂解液稳定，未检测到细胞成分或盐引起的干扰信号，但响应弱于纯化DNA。作者认为该双电位设计提供内部参考、数据可比性好，可扩展为多电位多探针单电极传感器。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：多晶金微电极（Au microelectrode，Ø=100 μm），经机械与电化学抛光，作为电子转移工作电极。
- 识别/信号共固定层：Fc–PNA捕获探针P1与P2等摩尔共吸附，通过C端半胱氨酸形成Au–S键固定，提供DNA识别与可区分氧化还原信号。
- 封闭/自组装单分子层：6-巯基己醇（MCH，6-mercaptohexan-1-ol）填充空位，封闭非特异吸附并稳定界面。
- 识别元件：肽核酸寡聚体PNA（P1/P2，12-mer PNA），与互补DNA序列杂交。
- 信号标记物：二茂铁衍生物（Fc，ferrocenyl；P1为ethynylferrocene，P2为DEPA-ferrocene），作为共价氧化还原探针产生不同电位峰。
- 电解质/离子导电介质：2.5 mM磷酸盐缓冲液（pH 7.0）含0.1 M NaClO4，提供离子导电并稳定电化学测量。
中文摘要
本文报道一种单电极双电位二茂铁–肽核酸（PNA）生物传感器，用于DNA序列检测。PNA具有中性骨架、杂交选择性高、抗核酸酶和蛋白酶等特性，适合单核苷酸多态性（SNP）分析。作者通过点击化学将两种不同二茂铁衍生物分别标记到两种十二聚体PNA的N端，并在C端引入半胱氨酸连接臂，使两种Fc–PNA捕获探针P1和P2可共固定于金微电极表面，再与6-巯基己醇（MCH）形成三元自组装单分子层。两种探针的Fc0/+氧化还原电位可区分，表面半波电位差约125 mV。方波伏安法显示，与互补DNA杂交后，相应Fc–PNA峰电流下降且峰电位负移，而另一探针作为内部参考基本不变。基于峰电流和电位差变化，可在同一电极上平行识别两种DNA序列，并区分完全互补与单碱基错配序列。粗细菌RNA实验表明传感器稳定且无明显干扰，证明其实际样品应用潜力。
英文摘要
A Fc-PNA biosensor (Fc: ferrocenyl, C(10)H(9)Fe) was designed by using two electrochemically distinguishable recognition elements with different molecular information at a single electrode. Two Fc-PNA capture probes were therefore synthesized by N-terminal labeling different dodecamer PNA sequences with different ferrocene derivatives by click chemistry. Each of the two strands was thereby tethered with one specific ferrocene derivative. The two capture probes revealed quasi-reversible redox processes of the Fc(0/+) redox couple with a significant difference in their electrochemical half-wave potentials of Delta E(1/2)=160 mV. A carefully designed biosensor interface, consisting of a ternary self-assembled monolayer (SAM) of the two C-terminal cysteine-tethered Fc-PNA capture probes and 6-mercaptohexanol, was electrochemically investigated by square wave (SWV) and cyclic voltammetry (CV). The biosensor properties of this interface were analyzed by studying the interaction with DNA sequences that were complementary to either of the two capture probes by SWV. Based on distinct changes in both peak current and potential, a parallel identification of these two DNA sequences was successful with one interface design. Moreover, the primary electrochemical response could be converted by a simple mathematical analysis into a clear-cut electrochemical signal about the hybridization event. The discrimination of single-nucleotide polymorphism (SNP) was proven with a chosen single-mismatch DNA sequence. Furthermore, experiments with crude bacterial RNA confirm the principal suitability of this dual-potential sensor under real-life conditions.