组成图示
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传感器类型
纳米孔生物传感器
检测对象
DNA 靶标序列（DNA target sequences）、λ-DNA（48.5 kbp）、GAPDH 互补寡核苷酸（PC）、GAPDH 非互补寡核苷酸（NC）；样品基质：KCl/HEPES 缓冲液或 HB 杂交缓冲液
检测原理
该传感器以 SiN 固态纳米孔为离子电流通道，孔壁经 APTES 和 PDI 固定 DNA 探针，使初始大孔缩小并引入识别位点。在 Ag/AgCl 电极施加偏压时，cis 侧带负电 DNA 被电泳驱动穿过孔道，分子占据孔道引起离子电导下降，形成电流阻断。迁移实验中，长链 λ-DNA 单次通过产生离散电流尖峰。杂交实验中，互补靶标与孔壁探针发生特异性结合–解离，使孔内探针/靶标构型和占据数发生动态变化，离子电流在多个离散电导水平间切换，呈现“toggling”波动；非互补靶标不形成稳定杂交，仅表现为噪声或无事件。电压升高可驱动更多靶标进入孔道，增加占据态概率。信号由 patch-clamp 放大器记录，依据电流水平、驻留时间和电导跳变区分互补序列。
检测灵敏度
原文未报告 LOD、线性范围、灵敏度斜率、相关系数；报告电导跳变 ΔG (150 mV) = (6.5 ± 0.5) nS、ΔG (200 mV) = (8 ± 1) nS。
效应效果
器件迁移实验显示单分子灵敏度：400 mV 下 λ-DNA 通过产生电流阻断，典型事件 ΔI=272 pA、Δt=334 μs；拟合得 Δt1=57 μs、Δt2=283 μs、ΔI2=275 pA。杂交实验中，0.17 nM 非互补靶标未检测到迁移事件，洗涤后电阻由 3.8 MΩ 变为 4.3 MΩ，有效孔径由 33 nm 变为 31 nm，表明无残留污染。0.17 nM 完全互补靶标产生多能级 toggling：150 mV 识别 6 个电流水平，200 mV 识别 8 个水平，ΔG 分别为 (6.5±0.5) nS 和 (8±1) nS，驻留时间约 100 μs–0.1 s。作者认为其可集成平行化，用于突变 DNA 分析、诊断和生物分析。
传感器的构成
- 基底/换能器：Si/SiN 结构，20 nm SiN 膜沉积于 300 μm Si 基底，FIB 打孔形成纳米孔，作为离子电流通道
- 表面活化层：APTES（3-aminopropyltriethoxysilane）与 SiN 表面 SiO2 羟基结合，提供氨基反应位点
- 交联层：1,4-phenylenediisotiocyanate（PDI）交联剂，连接氨基修饰 DNA 探针
- 识别元件：氨基修饰 45-mer 寡核苷酸探针（GAPDH 序列）或 dsLNA 诱饵寡核苷酸（NF-κB 共识序列），固定于孔壁并缩小孔径
- 电解液/样品层：KCl/HEPES 缓冲液或 HB 杂交缓冲液（formamide、SSC、SDS、磷酸盐、antifoam A），提供离子导电与杂交环境
- 读出电极：Ag/AgCl 电极置于微流控腔室，施加电压并采集离子电流
- 信号读出：Axopatch 200B patch-clamp 放大器，250 kHz 采样、5 kHz 低通滤波，记录电流变化
中文摘要
纳米孔单分子电学传感是生物分析与诊断领域快速发展的方向，其核心原理是利用分子在纳米通道中电泳迁移所引起的电导调制。本文报道了一类新型选择性生物传感器器件“DNA-Dressed NAnopore”（DNA2），该器件基于初始尺寸较大的固态纳米孔，并通过 DNA 分子功能化实现孔径缩小与选择性激活。作者利用聚焦离子束在自由支撑氮化硅膜上制备纳米孔，并以氨基修饰寡核苷酸探针对其进行化学修饰。在单分子迁移实验中，长链 λ-DNA 穿过功能化纳米孔时产生可分辨的电流阻断事件，证明器件具有单分子灵敏度。在杂交实验中，与探针完全互补的靶标序列在孔内发生结合–解离动力学，使离子电流呈现多能级“toggling”波动，而非互补靶标则不产生相应信号。结果表明 DNA2 能依据靶标与功能化层的亲和力区分互补序列，可作为可集成平行器件的基础，用于突变 DNA 分析、诊断和生物分析研究。
英文摘要
Single molecule electrical sensing with nanopores is a rapidly developing field with potential revolutionary effects on bioanalytics and diagnostics. The recent success of this technology is in the simplicity of its working principle, which exploits the conductance modulations induced by the electrophoretic translocation of molecules through a nanometric channel. Initially proposed as fast and powerful tools for molecular stochastic sensing, nanopores find now application in a range of different domains, thanks to the possibility of finely tuning their surface properties, thus introducing artificial binding and recognition sites. Here we show the results of DNA translocation and hybridization experiments at the single molecule level by a novel class of selective biosensor devices that we call "DNA-Dressed NAnopore" (DNA(2)), based on solid state nanopore with large initial dimensions, resized and activated by functionalization with DNA molecules. The presented data demonstrate the ability of the DNA(2) to selectively detect complementary target sequences, that is to distinguish between molecules depending on their affinity to the functionalization. The DNA(2) can thus constitute the basis for the design of integrable parallel devices for mutation DNA analysis, diagnostics and bioanalytic investigations.