组成图示
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传感器类型
其他（纳米机械谐振生物传感器）
检测对象
目标单链 DNA（target ssDNA）；样品基质：杂交缓冲液（1.0 M NaCl + TE buffer，pH 8.2）
检测原理
硫醇化单链 DNA 探针通过 Au-S 键固定在 Ti/Au 包覆的硅纳米线表面，巯基己醇封闭非特异位点。目标单链 DNA 与探针杂交形成双链 DNA，使纳米线阵列表面负载额外质量。由于质量增加改变 Si/SiO2 薄膜谐振器的有效质量，共振频率发生负移，且负移量在 500 aM–10 pM 范围内与目标浓度呈线性关系。器件采用强度调制激光照射光子晶体纳米线，光吸收转化为热，Si 与 SiO2 热膨胀系数差异在双层膜中产生周期性弯曲力矩，从而光热机械驱动膜振动。PolyTec 干涉仪与锁相环检测振动幅相并提取共振频率，实现无标记、质量基 DNA 检测。
检测灵敏度
LOD: 500 aM；线性范围: 500 aM–10 pM；质量响应斜率: (9.0 ± 0.4) Hz fg^-1；最小绝对质量分辨率: 1.1 × 10^-19 kg；质量-面积灵敏度: 1.8 × 10^-12 kg m^-2；Q: 3.2 × 10^5
效应效果
该传感器以 10 pM 非匹配 DNA 作为对照，显示序列选择性；500 aM 目标 DNA 杂交后共振频率负移 29.3 ± 2.5 Hz，解链后回落至背景噪声水平 5.4 ± 2.0 Hz，证明可重复使用。作者指出其 500 aM 浓度灵敏度较先前无标记 DNA 检测方法提高 1–6 个数量级；与基于刚度变化的 AFM 单分子成像相比，无需直接接触分子、可避免样品损伤。光子晶体纳米线阵列提供宽带光热驱动，无需电互连，适合片上远程驱动与多路复用微阵列分析。文中未报告实际样品加标回收率与 RSD。
传感器的构成
- 基底/换能器：SOI 晶圆 Si/SiO2 双层薄膜（300 nm Si/200 nm SiO2，直径 50 μm），作为机械谐振器，质量变化引起共振频率偏移
- 纳米结构层：有序垂直 Si 纳米线阵列（NW，高 1.7 μm，间距 100 nm），增大表面积/体积比并形成光子晶体增强光吸收
- 金属钝化层：Ti/Au（2 nm/3 nm）保形包覆 NW 外表面，钝化硅表面并提供 Au-S 化学固定位点
- 识别元件：硫醇化单链 DNA 探针（ssDNA probe，1 μM），通过 Au-S 键固定于金表面，与目标 DNA 杂交
- 封闭剂：巯基己醇（mercaptohexanol，1 mM），封闭未固定金表面，降低非特异性吸附
中文摘要
新型生物传感器需要在低浓度下检测生物分子，以支持早期疾病诊断。纳米机械生物传感器在医学诊断中前景广阔，但低浓度检测要求谐振器具有足够大的分子结合表面积。本文报道了一种基于光子晶体纳米线阵列的低浓度机械生物传感器。该器件在 Si/SiO2 双层薄膜上制备有序垂直硅纳米线阵列，形成高表面积/体积比（10^8 m^-1）和先进质量-面积分辨率（1.8×10^-12 kg m^-2）的纳米机械谐振器。纳米线阵列构成光子晶体，在 400–900 nm 宽带范围内增强光捕获与吸收，实现高效光热机械远程驱动。作者以无标记 DNA 检测为例，将硫醇化单链 DNA 探针固定于金包覆纳米线表面，通过共振频率偏移检测目标 DNA，实现 500 aM 浓度灵敏度，并展示器件可重复使用。该平台为低浓度生物分子质量基检测提供了新途径。
英文摘要
The challenge for new biosensors is to achieve detection of biomolecules at low concentrations, which is useful for early-stage disease detection. Nanomechanical biosensors are promising in medical diagnostic applications. For nanomechanical biosensing at low concentrations, a sufficient resonator device surface area is necessary for molecules to bind to. Here we present a low-concentration (500 aM sensitivity) DNA sensor, which uses a novel nanomechanical resonator with ordered vertical nanowire arrays on top of a Si/SiO(2) bilayer thin membrane. The high sensitivity is achieved by the strongly enhanced total surface area-to-volume ratio of the resonator (10(8) m(-1)) and the state-of-the-art mass-per-area resolution (1.8×10(-12) kg m(-2)). Moreover, the nanowire array forms a photonic crystal that shows strong light trapping and absorption over broad-band optical wavelengths, enabling high-efficiency broad-band opto-thermo-mechanical remote device actuation and biosensing on a chip. This method represents a mass-based platform technology that can sense molecules at low concentrations.