组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
场效应晶体管(FET)生物传感器
检测对象
靶单链DNA（target ssDNA, t-DNA；互补、SNP、半错配、非互补序列）；样品基质：TE缓冲液、人血清
检测原理
传感器以硫醇化p-DNA通过Au-S键固定在Au纳米岛和同心Au电极上。当互补t-DNA加入后，p-DNA与t-DNA杂交形成双链，使Au表面功函数降低，肖特基势垒升高，源漏接触电阻增大；同时Au岛周围空穴耗尽，SWCNT随机网络沟道电导下降。同心电极在溶液中形成自门控偏置，使器件电流随t-DNA浓度增加而下降。由于Au岛尺寸随机分布，小Au岛在低浓度下即可引起载流子耗尽，大Au岛在高浓度下才显著响应，因此获得100 fM至1 μM的宽动态范围。该过程无需荧光或酶标记，通过恒压或扫描电压下的电流变化实现无标记检测。
检测灵敏度
LOD: 约100 fM；动态范围: 100 fM–1 μM（7个数量级）
效应效果
在TE缓冲液中，8个[CGi+p-DNA]样品对TE缓冲液的电流下降在400、800和1200 s分别为-68.6±2.8%、-73.0±1.4%和-74.6±1.1%，重现性较好。特异性方面，非互补和半错配t-DNA的响应较互补t-DNA分别降低约53%和84%，并可区分SNP；非互补t-DNA低于20 pM时非特异结合可忽略，高于20 pM需洗涤。人血清中响应斜率与TE相近，但响应时间更慢，主要受扩散降低和蛋白非特异吸附影响。[CGi]在空气中放置2天电阻变化较小，优于裸SWCNT网络。作者认为该平台可实时无标记检测未知DNA，并扩展至适配体、蛋白质等生物分子检测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：热氧化Si晶圆、TEOS厚氧化层（10000 Å）和同心Au电极（4000 Å，中心/外环，间距17 μm），形成溶液门与自门控偏置
- 纳米材料修饰层：SWCNT随机网络（ASP-100F，HNO3处理，浸涂）作为导电沟道；Au纳米岛（热蒸发1 nm，300 °C退火，约3 nm）修饰在SWCNT和TEOS上，增强粘附并提供结合位点
- 识别元件：硫醇化25mer单链DNA探针p-DNA（5'-HSC6-C18-GCCATTCTCACCGGATTCAGTCGTC-3'），通过Au-S键固定在Au岛和源漏电极上
- 信号标记/放大：无外源标记，DNA杂交诱导Au功函数变化、肖特基势垒升高和空穴耗尽，产生电导变化
- 清洗介质：TE缓冲液与去离子水，用于去除非特异结合
- 信号读出：Agilent 4145B参数分析仪，在±0.3 V恒压或扫描模式下测量电流/电导变化
中文摘要
本文报道了一种新型无标记电学DNA生物传感器，其核心结构为金（Au）纳米岛修饰的单壁碳纳米管（SWCNT）随机网络，位于同心Au电极阵列之上，称为[CGi]。Au纳米岛为硫醇化单链DNA探针（p-DNA）提供理想结合位点，并增强SWCNT网络与芯片基底之间的粘附。同心电极结构在溶液中形成不对称电流—电压特性，无需额外参考电极即可稳定溶液静电势，并通过自门控效应提供灵活偏置，提高灵敏度。传感器以25碱基硫醇化p-DNA（5'-HSC6-C18-GCCATTCTCACCGGATTCAGTCGTC-3'）功能化后，用于检测互补靶单链DNA（t-DNA）。在杂交过程中实时监测以及杂交洗涤后的静态模式下，均实现了100 fM至1 μM的宽动态范围，检出限约为100 fM。该传感器还能区分单核苷酸多态性（SNP）、半错配和非互补t-DNA。该平台可进一步扩展至适配体、蛋白质等生物识别元件，适用于无标记生物分子检测。
英文摘要
A novel electrical DNA biosensor is presented, which consists of gold (Au) nanoscale islands and a single-walled carbon nanotube (SWCNT) network on top of a concentric Au electrode array (also referred to as the CGi). The decorated Au islands on the SWCNT network provide ideal docking sites for ss-DNA probe (p-DNA) molecules. They also provide better adhesion between the SWCNT network and the chip substrate. In addition, the concentric electrode gives asymmetric current voltage characteristics in the solution and provides more flexible bias options to the electrodes. The sensor system is applied to a DNA sensor after functionalization with a 25 mer p-DNA (5'-HSC(6)-C(18)-GCCATTCTCACCGGATTCAGTCGTC-3'), hereafter called the [CGi+p-DNA]. The response of the DNA sensor has been measured in both real-time during hybridization with the complementary target ss-DNAs (t-DNA) and the static mode after the hybridization and washing steps. A wide dynamic range from the 100 fM to 1 μM has been achieved from the real-time mode and the static mode. Moreover, it is shown that the sensor system differentiates partially mismatched (single nucleotide polymorphism (SNP), half mismatch, noncomplementary) t-DNA, as well. The [CGi] sensor platform can be easily extended to target specific biological recognition elements such as aptamers or proteins.