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
H5N1禽流感病毒DNA（H5N1 avian influenza DNA，寡核苷酸）；样品基质：PBS/SSC缓冲液、H5N1阴性血清加标（96-mer target DNA mimic）、18-mer寡核苷酸错配样品
检测原理
探针DNA经巯基和六碳链固定于金电极，MCH封闭非特异位点。靶DNA杂交后，电极内电荷与电解质反离子层距离增大，无脱附时等效电容下降；若探针脱附，双电层电容Cdl暴露则电容上升。HWC电路以双向电流ich/idisch对电极充放电，电极电压在迟滞窗口内近似线性变化，达到窗口时间或方波频率f与有效电容C成反比（1/f=2VC/I）。1-bit ADC将电压转为方波并计数。AST先存储探针电容CRef，再与杂交后CP&T比较，仅选择电容下降的无脱附电极，排除不稳定电极。靶浓度升高时电容变化增大，5 nM–1 μM呈线性。
检测灵敏度
LOD: 5 nM；线性范围: 5 nM–1 μM；检测范围: 80 dB；灵敏度: approximately 10−11 F
效应效果
传感器对互补靶DNA响应显著高于非互补DNA：1 μM互补靶使电容相对变化达22.38%，非互补仅8.73%。检测范围为5 nM–1 μM，LOD为5 nM，电容随靶浓度线性变化。特异性方面，可在H5N1阴性血清加标96-mer靶DNA模拟物中检测长序列寡核苷酸，并能识别18-mer寡核苷酸单碱基错配。AST通过排除探针脱附导致的电容不稳定电极提高灵敏度。作者认为该无标记CMOS电容传感器比依赖标记的飞摩尔级方法灵敏度低，但成本低、集成度高，适合生物分析和即时诊断。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：玻璃（glass）基底上的金电极（Au electrodes），0.35 μm CMOS 集成电路提供检测电路，Au 电极形成电极–电解质界面电容
- 识别元件：巯基修饰探针 DNA（thiol-functionalized probe DNA，含六碳链间隔基）固定于 Au 表面，识别 H5N1 靶 DNA
- 封闭剂：6-巯基-1-己醇（mercapto-hexanol，MCH）钝化未反应金表面，减少非特异结合
- 被测物/杂交层：靶 DNA（target DNA，H5N1 寡核苷酸，5′-TTT CCA AGC AAC AGA CTC AAA-3′）与探针杂交，改变界面电容
- 电解质介质：1×PBS/5×SSC 缓冲液，提供离子环境并形成双电层电容 Cdl
- 信号读出电路：迟滞窗口控制（HWC）充放电电路、双向电流激励（ich/idisch）、1-bit ADC、比较器、电流源、AST 电极选择器，将电容变化转为方波频率
中文摘要
本文报道了一种基于电极–电解质界面电容变化的无标记、全电检测 DNA 杂交的传感器。该传感器依据受迟滞窗口限制的充放电原理实时测量电容变化，并提出一种自主搜索技术，在电极阵列中仅监测无脱附的杂交电极，从而较传统电容测量提升性能。传感器系统实现 80 dB 检测范围，采用 0.35 μm CMOS 工艺制备集成电路传感器。所提传感器提供快速、稳健、低成本的电容测量，并具有高度集成的检测电路；通过监测无脱附杂交电极及其特征阻抗变化，有助于对芯片上分子密度进行定量评估。该电学生物传感器在生物分析工具和即时诊断中具有应用潜力。
英文摘要
This paper describes a sensor for label-free, fully electrical detection of DNA hybridization based on capacitive changes in the electrode-electrolyte interface. The sensor measures capacitive changes in real time according to a charging-discharging principle that is limited by the hysteresis window. In addition, a novel autonomous searching technique, which exclusively monitors desorption-free hybridized electrodes among electrode arrays, enhances the performance of the sensor compared with conventional capacitive measurement. The sensor system achieves a detection range of 80 dB. The integrated circuit sensor is fabricated with a 0.35 μm CMOS process. The proposed sensor offers rapid, robust and inexpensive measurement of capacitance with highly integrated detection circuitry. It also facilitates quantitative evaluations of molecular densities on a chip with distinctive impedance variations by monitoring desorption-free hybridized electrodes. Our electrical biosensor has great potential for use with bio analytical tools and point-of-care diagnosis.