组成图示
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传感器类型
其他（电容式微膜表面应力生物传感器）
检测对象
β-地中海贫血 CD19 突变相关 DNA（PCR 产物/寡核苷酸），样品基质为 TMAC 杂交缓冲液中的 PCR 产物溶液
检测原理
该传感器采用无标记表面应力-电容换能机制。5′-氨基 CD19 探针经 APTTMS/PDITC 化学键合固定在超薄 SiGeB 膜表面的 LTO 层上。当 TMAC 缓冲液中的 PCR 产物进入混合腔时，与 CD19N 探针完全互补的 DNA 发生杂交，使膜表面分子密度和界面应力增加；由于膜被 SiO2 腔体边缘支撑，表面应力变化引起柔性膜向上偏转，缩短膜电极与 SOI 固定电极之间的间距，导致电容下降。CD19M 探针因单核苷酸错配杂交较弱，响应很小，因此以 CD19N 与 CD19M 的差分电容作为特异性信号。PCR 产物浓度升高时，杂交程度和表面应力变化增大，电容变化随之增强。
检测灵敏度
原文未报告 LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数。
效应效果
实验使用 16×16 共 256 个传感位点的电容微膜阵列，传感膜直径 250 μm、厚度 0.75 μm（另用 0.5 μm 膜测试浓度响应）。在典型杂交实验中，CD19N 探针位点平均差分电容约为 13 pF，初始电容约 65 pF；CD19M 错配位点和未固定探针的参考位点响应很小，表明传感器可区分完全互补序列与单核苷酸错配。阵列对 9、18 和 36 nM PCR 产物均产生可区分的差分响应，但同一芯片内不同位点响应存在分散，作者归因于晶圆和薄膜残余应力。该方法无需标记，可实时监测杂交过程，作者认为其结构简单、成本低、适合小型化和即时诊断应用。
传感器的构成
- 基底/固定电极：SOI 晶圆，磷掺杂 SOI 薄膜（P-doped SOI film）作为固定对电极，SiO2 埋氧层提供绝缘与支撑
- 支撑腔体：0.5 μm 湿氧 SiO2 层中刻蚀腔体，支撑超薄膜并允许其偏转，膜边缘覆盖 20 μm
- 柔性膜电极：硼掺杂 SiGeB 外延层（B-doped SiGeB，1.4×10^20 cm^-3）形成导电超薄 Si 膜，直径 150/200/250 μm，厚度 0.75 μm（部分批次 0.5 μm）
- 钝化层：低温氧化硅 LTO（SiO2）覆盖阵列，隔离相邻膜并作为生物功能化表面
- 表面功能化层：APTTMS（3-aminopropyltris(trimethylsiloxy)silane）涂覆并用 PDITC（1,4-phenylene diisothiocyanate）活化，提供与 5′-氨基寡核苷酸反应的基团
- 识别元件：β-地中海贫血 CD19 正常探针 CD19N 与突变探针 CD19M（A→G 点突变寡核苷酸），固定于 LTO 表面
- 封闭剂：1% BSA（牛血清白蛋白）在 5× SSC、0.1% SDS 中封闭非特异位点
- 信号标记物：无标记（label-free），无荧光/电化学标记物，直接通过膜偏转改变电容
中文摘要
本文报道了一种基于电容读出和超薄硅微膜阵列的 DNA 突变检测方法。该生物传感器利用超薄硅膜在生物分子相互作用引起表面应力变化时发生偏转的特性：探针 DNA 分子固定在微膜表面，当与互补目标链杂交时，膜表面应力改变，使柔性膜相对固定基底偏转，从而改变二者之间的电容。所制备的传感器阵列包含 16×16 共 256 个传感位点，可在小面积内同时检测多种 DNA 突变。作者以 β-地中海贫血 CD19 点突变寡核苷酸为模型，验证了传感器对互补 DNA 杂交的响应，并证明其能够区分完全互补序列与单核苷酸错配序列。结果表明，该电容式微膜阵列可实现无标记、实时、低成本的 DNA 杂交检测，具有用于疾病相关突变筛查和即时诊断的潜力。
英文摘要
The detection of DNA hybridization using capacitive readout and a biosensor array of ultrathin Si membranes is presented. The biosensor exploits the ability of the ultrathin membranes to deflect upon surface stress variations caused by biological interactions. Probe DNA molecules are immobilized on the membrane surface and the surface stress variations during hybridization with their complementary strands force the membrane to deflect and effectively change the capacitance between the flexible membrane and the fixed substrate. The sensor array comprises 256 such sensing sites thus allowing the concurrent sensing of multiple DNA mutations. The biosensor and its performance for the detection of complementary DNA strands are demonstrated using beta-thalassemia oligonucleotides. The experimental results show that the presented sensors are able to detect DNA hybridization and to discriminate single nucleotide mismatches.