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
DNA 靶标（DNA target，寡核苷酸）、结核分枝杆菌 PCR 片段（Mycobacterium tuberculosis PCR products，CRISPR spacer 序列）；样品基质为 PBS 缓冲液中的纯寡核苷酸及 PCR 扩增产物（含鲑鱼基因组 DNA 干扰实验）。
检测原理
JUGSH 自组装在金电极上形成醌氧化还原活性单分子层。硫醇化单链 DNA 或 PNA 探针插入其中形成混合单分子层。未杂交时，单链探针呈随机卷曲，与带负电的 JUGSH 羟基/醌基形成氢键等相互作用，增加醌氧化还原活化能，降低电子转移速率，方波伏安法（SWV）氧化峰电流下降。加入互补靶标后，探针与靶标形成刚性双链，破坏单链探针与 JUGSH 的氢键相互作用，JUGSH 氧化还原速率恢复并增加，氧化峰电流上升，形成信号-on 响应。中性 PNA 探针与 JUGSH 相互作用强于带负电 DNA，因此电流变化更大。PCR 片段若含互补 Spacer32 序列则杂交并引起电流增加，不含则无显著变化。
检测灵敏度
LOD: 约 300 pM（100 μL 样品中 30 fmol）；判定阈值: 5% < ΔI/I < 7%；浓度测试范围: 30 pM–100 nM
效应效果
该传感器选择性优异，可区分 20 碱基序列中的单个错配；100 nM 非互补序列响应为 ΔI/I = 0 ± 3%，错配序列在 50 °C 下无显著变化。在含鲑鱼基因组 DNA 的复杂混合物中，非特异性杂交贡献低于 4%（55 °C），目标存在时电流增加 18%，单独 DNA 靶标为 22%。对结核分枝杆菌 PCR 产物，M. africanum (51) 和 LAM (1) 分别产生 ΔRh = 23 ± 5% 和 25 ± 6% 的正响应，Beijing (23) 仅 5 ± 2%，PBS 无显著变化。JUGSH 单分子层在 50 °C PBS 中 2 h 后峰电流下降约 10%。作者认为该无标记信号-on 体系优于多数直接电化学 DNA 传感器（10^-9–10^-10 M），可拓展至 CRISPR 相关应用。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：多晶金电极（polycrystalline gold electrode, Au），工作电极，面积约 0.03 cm²，用于自组装和电化学换能。
- 自组装单分子层：5-羟基-3-己烷二硫醇-1,4-萘醌（JUGSH）在乙酸乙酯中自组装于 Au 表面，提供醌氧化还原信号并对邻近 DNA 敏感。
- 识别元件：硫醇化寡核苷酸探针（DNA-SH、PNA-SH 或 Sp32-SH），3′-烷基硫醇功能化，插入 JUGSH 单分子层形成混合单分子层，用于靶标杂交。
- 信号换能分子：JUGSH 醌氧化还原对，无需外加标记物或试剂，杂交后氧化峰电流增加。
- 检测介质与读出：PBS（pH 7.4）缓冲液、氩气除氧，三电极体系（Au 工作电极、铂辅助电极、SCE 参比电极）进行方波伏安法（SWV）测量。
中文摘要
本文报道了一种信号增强型、无标记且无试剂的电化学 DNA 生物传感器，其基于硫醇化羟基萘醌与硫醇化寡核苷酸构成的混合自组装单分子层。杂交引起的电化学变化不仅可用寡核苷酸靶标（作为模型）验证，也可用于检测与不同谱系结核分枝杆菌菌株相关的聚合酶链反应（PCR）产物。对于纯寡核苷酸，该体系具有较高灵敏度（约 300 pM DNA 靶标，即 100 μL 样品中 30 fmol）和优异选择性，可识别 20 碱基序列中的单个错配。对于 PCR 产物，电流变化具有菌株特异性，可区分 PCR 片段来源的细菌菌株。此外，传感器响应为信号增强型，杂交后产生正向信号变化，因此不易因 DNA 非特异性吸附而产生假阳性响应。
英文摘要
We report a signal-on, label-free and reagentless electrochemical DNA biosensor, based on a mixed self-assembled monolayer of thiolated hydroxynaphthoquinone and thiolated oligonucleotide. Electrochemical changes resulting from hybridization were evidenced with oligonucleotide targets (as models), as well as with polymerase chain reaction (PCR) products related to different lineages of Mycobacterium tuberculosis strains. With pure oligonucleotides, this system achieves high sensitivity (∼300 pM of DNA target, i.e. 30 fmol in a 100 μL sample) and excellent selectivity, allowing to detect a single mismatch on a sequence of 20 bases. With PCR products, current changes are specific to the bacterial strain from which the PCR fragment is produced. In addition, the sensor response is of the signal-on type, giving a positive signal change upon hybridization, and therefore does not suffer from false positive responses due to non-specific adsorption of DNA.