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
互补靶标 DNA（complementary target DNA）、非互补靶标 DNA（non-complementary target DNA）；样品基质：磷酸盐缓冲液（25 mM NaCl/25 mM phosphate buffer, pH 7）
检测原理
该传感器采用无标记电化学杂交检测。金纳米纤维电极通过超快激光加工形成三维网状结构，有效表面积约为平面金电极10倍，可固定更多巯基修饰单链探针DNA。当互补靶标DNA加入后，与探针杂交形成双链DNA，使电极表面负电荷密度增加，增强对带负电的Fe(CN)6^3-/4-氧化还原探针的静电排斥，导致循环伏安还原峰电流下降。非互补DNA不产生显著电流变化。纳米纤维的高比表面积、多孔结构和探针取向优化提高了杂交概率与信号变化幅度。通过测量不同浓度靶标DNA杂交后的峰电流变化，可实现对靶标DNA的定量检测。
检测灵敏度
LOD: between 1 and 100 fM；线性范围: from 1 fM to 1 nM（摘要/结论）；from 1 fM to 1 μM（结果部分）
效应效果
该传感器对互补靶标DNA具有明显响应，非互补DNA未引起显著电流下降，伏安信号接近仅固定单链探针的状态，表明杂交选择性良好。与相同几何面积的未处理金电极相比，纳米纤维电极在探针固定阶段的电流变化为15%，而平面金电极为2%；在靶标捕获阶段电流变化为56%，平面金电极为27%，说明三维纳米纤维结构显著增强了信号变化幅度。其有效表面积约为平面金电极的10倍。作者指出该无标记、单步方法的检测限处于已报道最低水平之一，可用于真实生物和临床样品中靶标DNA检测，并有望用于癌症和传染病相关DNA序列检测。
传感器的构成
- 基底电极：金涂层硅片（Au/Si，350 nm Au），提供导电基底与工作电极。
- 绝缘层：Ormocore 绝缘材料，隔离未处理区域并保留电连接区。
- 纳米修饰层：三维金纳米纤维（gold nanofibers, GNEs），由 MHz 超快激光在空气常温下加工形成，增大有效表面积。
- 识别元件：巯基修饰单链探针 DNA（thiolated ssDNA probe），通过 Au-S 键合固定于金表面，用于捕获靶标 DNA。
- 工作缓冲液：25 mM NaCl/25 mM 磷酸盐缓冲液（pH 7），用于洗涤与 37 ℃ 杂交。
- 氧化还原探针：铁氰化钾/亚铁氰化钾（Fe(CN)6^3-/4-），作为电化学信号指示剂。
- 参比/辅助电极：Ag/AgCl 参比电极与铂丝（Pt）辅助电极，构成三电极循环伏安体系。
中文摘要
本文提出一种通过引入DNA功能化三维、自由站立纳米结构电极来改善探针-靶标识别的新概念。金纳米纤维电极在空气和常温条件下利用MHz超快激光材料加工制备。所开发的纳米纤维DNA生物传感器采用循环伏安法，以亚铁氰化物作为电化学氧化还原指示剂进行表征。目前，对提高DNA检测灵敏度具有重要意义的电化学信号增强仍是一大挑战。通过提高表面积/体积比以及纳米纤维电极上探针分子更有效的排列，新电极系统克服了现有系统的一些灵敏度挑战。该纳米纤维基系统实现了对互补靶标DNA的飞摩尔（fM）级灵敏度，并展现出很宽的动态范围（1 fM至1 nM）。
英文摘要
In this paper, a new concept to achieve improved probe-target recognition has been devised by introducing a novel class of DNA-functionalized three-dimensional (3D), stand-free, and nanostructured electrodes. The gold nanofibrous electrodes were created using MHZ ultrafast laser material processing in air at ambient conditions. The developed nanofibrous DNA biosensor was characterized by cyclic voltammetry with the use of ferrocyanide as an electrochemical redox indicator. Currently, electrochemical signal enhancement which is of great significance for improving the sensitivity in DNA detection remains a great challenge. Through, enhanced surface area-to-volume ratio and more efficient arrangement of probe molecules on nanofibrous electrodes, our newly developed electrode system overcomes some of the sensitivity challenges of the existing systems. This nanofiber-based system realizes femtomolar (fM) sensitivity toward complementary target DNA, and demonstrates a very wide dynamic range (from 1 fM to 1 nM).