组成图示
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传感器类型
微流控生物传感器
检测对象
前列腺特异性抗原（PSA, prostate-specific antigen）；样品基质：PBS 缓冲液（文中亦提及临床血清和尿液样品）
检测原理
在 Au 纳米电极表面，3-巯基丙酸（MPA）形成自组装单层，经 EDC/sulfo-NHS 活化后共价固定金属化肽核酸（M-PNA）–抗 PSA 抗体偶联物；M-PNA 作为纳米生物连接桥，减少抗体去化并促进电子转移。葡萄糖氧化酶（GOx）标记的 PSA 预先结合抗体，GOx 作为氧化还原报告酶。加入游离 PSA 后，由于 PSA 与抗体的亲和力高于 GOx-PSA 复合物，PSA 竞争置换 GOx-PSA，使表面 GOx 数量减少。循环伏安在 0–+700 mV vs Ag/AgCl 下扫描，GOx 氧化还原产生阳极电流和阳极电荷；PSA 浓度越高，阳极电荷下降越多。小半径 Au 纳米电极通过径向扩散和双电层电迁移增强传质与电子转移，提高电流密度，使 180 nL 通道中低浓度 PSA 可被检测。
检测灵敏度
LOD: 10 pg/mL (∼270 fM)；动态范围: 0–50 nM；响应时间: <7 s
效应效果
该芯片在 5 mM Ru(NH3)6Cl3 循环伏安校准中，小半径纳米电极阵列归一化电流密度为 1.36×10^6 A cm mol^-1，较微电极 1.55×10^4 A cm mol^-1 提高约两个数量级；大半径阵列电流密度降至 1.92×10^4 A cm mol^-1，说明纳米尺度效应显著。PSA 检测动态范围为 0–50 nM，响应时间小于 7 s，检测限 10 pg/mL（约 270 fM），相当于 180 nL 通道中约 30000 个 PSA 分子。与单壁碳纳米管森林平台报道的 4 pg/mL（100 fM）相比略高但具竞争力。作者认为 PNA 纳米连接桥可减少表面去化并促进电子转移，微流控三电极芯片适合纳升级样品和即时诊断。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：玻璃基底上 20 nm Ti/300 nm Au 互连层，经光刻、蒸发和 lift-off 形成三电极图案与探针焊盘。
- 绝缘/纳米孔模板层：电子束蒸发 Al2O3（720–800 nm，300 ℃退火），I2 辅助 FIB 铣削和离子束雕刻形成 5×5 纳米孔，隔离电极并定义纳米电极位置。
- 工作纳米电极：在纳米孔中直流电沉积 Au（Orotemp 24，KAu(CN)2，-0.8 V，约 2 h），形成半径 60–120 nm 的 Au 纳米电极阵列，作为电化学换能器。
- 参比电极：20 nm Ti/1 μm Ag 经 Cl2 等离子体处理形成 Ag/AgCl 参比电极，提供稳定电位。
- 对电极：Au 对电极，完成三电极电化学回路。
- 自组装/活化层：10 mM 3-巯基丙酸（MPA）在 Au 纳米电极表面吸附形成自组装单层，随后 EDC/sulfo-NHS 活化羧基，用于共价偶联识别元件。
- 识别元件/连接复合体：金属化肽核酸（M-PNA）–抗 PSA 抗体偶联物（115 μg/mL）固定到活化表面，PNA 作为纳米生物连接桥，抗体识别 PSA。
- 信号标记物：葡萄糖氧化酶（GOx）标记 PSA 复合物（16.5 μg/mL）与抗体结合，GOx 作为氧化还原报告酶，其氧化还原电流反映结合量。
- 微流控样品通道：PDMS 微通道板（深度 30 μm，通道体积 180 nL）与玻璃基底等离子体键合，用于纳升级样品输送和检测。
中文摘要
本文报道了一种嵌入三电极构型的微流控生物传感器芯片，用于研究纳米电极阵列在纳升级样品体积中的伏安响应。芯片三电极单元由半径 60–120 nm 的 5×5 金工作纳米电极阵列、经 Cl2 等离子体处理的 Ag/AgCl 参比电极和金对电极组成。纳米电极阵列通过 I2 气体辅助聚焦离子束铣削、离子束雕刻和电沉积金制备，形成高深宽比孔道穿过氧化铝绝缘层。玻璃基底电极图案与聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道板键合，每个通道体积约 180 nL。以标准氧化还原物质进行循环伏安校准，小半径纳米电极阵列的电流密度较微电极提高约两个数量级。芯片上完成前列腺特异性抗原（PSA）生物传感器复合物的功能化，并基于竞争免疫分析法检测 PSA。检测限约为 10 pg/mL（约 270 fM），相当于微通道测试体积中约 30000 个 PSA 分子。
英文摘要
A microfluidic biosensor chip with an embedded three-electrode configuration is developed for the study of the voltammetric response of a nanoelectrode array with controlled inter-electrode distance in a nanoliter-scale sample volume. The on-chip three-electrode cell consists of a 5 × 5 array of Au working nanoelectrodes with radii between 60 and 120 nm, a Cl(2)-plasma-treated Ag/AgCl reference electrode, and a Au counter electrode. The nanoelectrode array is fabricated by creating high-aspect-ratio pores through an alumina insulating layer using an I(2) gas-assisted focused-ion-beam (FIB) milling, ion beam sculpting, and electrodeposition of Au. The glass substrate with the electrode pattern is assembled with a polydimethylsiloxane (PDMS) microchannel slab giving a volume of 180 nL for each channel. Cyclic voltammetry calibration with a standard redox species exhibits a significant increase of current density by two orders of magnitude compared to that obtained from a microelectrode. On-chip functionalization of the nanoelectrodes with a prostate-specific antigen (PSA) biosensor complex and detection of PSA based on a competitive immunoassay method are performed. The detection limit is approximately 10 pg/mL (∼270 fM), which corresponds to roughly 30,000 copies of PSA in the microchannel test volume.