组成图示
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传感器类型
场效应晶体管(FET)生物传感器
检测对象
ATP（adenosine 5′-triphosphate）、腺苷（adenosine）；样品基质：15 mM DPBS缓冲液（pH 7.4）
检测原理
在37℃下，短茎发夹适配体（sh-aptamer）以闭环茎部双链形式固定于金扩展栅极，茎部小沟预装载带2+正电的DAPI。当ATP或腺苷结合适配体环区时，形成稳定的适配体-目标复合物，引发发夹茎部解链，由dsDNA转为ssDNA，DAPI从界面扩散层释放。栅极/溶液界面正电荷减少，根据Δϕ=ΔQ/C，双电层电容不变时产生负向电位偏移。ATP浓度越高，释放DAPI越多，负移越大；在10^-14–10^-4 M呈半对数线性，斜率-1.8 mV/decade。该机制不依赖目标自身电荷，可检测中性腺苷，并降低Debye屏蔽影响。
检测灵敏度
ATP: 线性范围: 10−14–10−4 M；灵敏度斜率: −1.8 mV/decade；腺苷: 线性范围: 10−8–10−6 M
效应效果
该传感器在37℃下对ATP呈特异性响应，约-17 mV；非目标GTP无显著信号，ATP与GTP在>10 nM时差异显著（p<0.01）。25℃下无显著响应，说明需热激活克服发夹茎部碱基配对能垒。FET平台漂移<1 mV/day，响应时间<10 ms，数据基于n=4。无DAPI或线性适配体均不产生特异信号，证明发夹构象开关与DAPI释放共同决定响应。该设计可检测电中性腺苷（10^-8–10^-6 M），突破FET对中性分析物检测限制，灵敏度与多数电化学/荧光ATP方法相当，并有望用于刺激响应型诊疗一体化分子开关。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：溅射金电极（Au，100 nm厚，RMS 1.8 nm），作为FET扩展栅极（extended gate）
- 自组装单分子层：短茎发夹适配体（sh-aptamer）与6-巯基-1-己醇（MCH）混合SAM，化学吸附于Au表面
- 识别元件：抗ATP适配体序列（anti-ATP aptamer），位于发夹环区，特异性结合ATP或腺苷
- 信号标记物：DAPI（4′,6-diamidino-2-phenylindole），带2+正电的DNA小沟结合剂，预装载于发夹茎部
- 封闭剂：6-巯基-1-己醇（MCH），填充金表面空隙，抑制非特异吸附
- 读出系统：FET芯片与自制信号处理器，监测栅极/溶液界面电位变化（Δϕ），Ag/AgCl参比电极
中文摘要
本文报道了一种具有抗ATP适配体序列的发夹结构DNA，作为场效应晶体管（FET）扩展栅极金电极表面的纳米尺度分子开关，以温度依赖方式检测目标ATP或腺苷。当目标分子结合时，发夹适配体由闭环构象转变为开环构象，导致预装载在发夹茎部双链DNA小沟中的带正电DNA结合剂DAPI释放到溶液相。由于目标捕获使栅极/溶液纳米界面扩散层中DAPI的固有正电荷减少，FET通过场效应产生特异性电位信号。该设计将结构化DNA适配体与FET结合，使DAPI负载发夹适配体能够检测电中性的腺苷，突破了传统FET生物传感器难以检测中性分析物的限制。由于寡核苷酸适配体一级和二级结构设计简单，该技术可推广至多种生物分析物，而不受其电荷状态限制。研究为半导体生物传感器中刺激响应型智能生物分子开关设计提供了新方向。
英文摘要
We report here that a hairpin-structured DNA that possesses an anti-ATP aptamer sequence successfully detected target ATP or adenosine in a temperature-dependent manner by nanoscale intramolecular displacement on the surface of a gold electrode as an extended gate of a field-effect transistor (FET). The structural switching of the hairpin aptamer from closed loop to open-loop conformations was accompanied by the release of the preloaded DNA binder (DAPI) from the stem part of the hairpin aptamer into the solution phase. The loss of intrinsic positive charges of DAPI (2+) from the diffusion layer at the gate/solution nano-interface as a result of target capturing was responsible for generating a specific signal by the field-effect. We emphasize a new aspect of the structured DNA aptamer in combination with FET: the DAPI-loaded hairpin aptamer successfully detected even uncharged adenosine, which remains a major challenge for FET-based biosensors. Given the simplicity in design of the primary and secondary structures of oligonucleotide aptamers, it is easy to apply this technology to a wide variety of bio-analytes, irrespective of their electric charges. In view of these advantages, our findings may offer a new trend in the design of stimuli-responsive "smart" biomolecular switches for semiconductor-based biosensors.