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
链霉亲和素（streptavidin, sa）、铁蛋白（ferritin）、甲型流感病毒（influenza A virus）；样品基质：PBS、人血清、血浆、全血、呼吸道标本
检测原理
传感器以金电极支撑的tethered脂质双分子层为界面，内层含tethered gA单体（s）和生物素化膜跨脂质（BMSL），外层含可侧向扩散的生物素化gA单体（gA5XB, c）。无目标时，c与s在膜内相遇形成gA二聚体（d），构成离子通道，允许离子跨膜流动，表现为较高膜电导。当目标分子（如链霉亲和素）进入样品后，同时结合BMSL上的生物素受体和c上的生物素，将c锚定在远离s的位置，阻止gA二聚体形成，膜电导下降。由于单个c可扩散访问多个BMSL位点，形成表观速率放大；每个二聚体通道每秒可传输大量离子，提供信号放大。在金电极与参比电极间施加小交流电位，膜电导变化转化为外电路电子流/阻抗变化，信号幅度（gating magnitude）随分析物浓度增加而增大。
检测灵敏度
LOD: 未明确报告；原文称“less than 1 pM”；限制检测阈值At: 16 pM（B*=2×10^9 molecules/cm2, Q=100 µL/min, 5 min内10% GM下降）；浓度范围: 1–1000 pM（Table 1）；实验响应浓度: 10 pM、100 pM、1000 pM。
效应效果
该传感器以链霉亲和素–生物素体系验证，可检测低于1 pM的目标分子；在B*=2×10^9 molecules/cm2、Q=100 µL/min条件下，5 min内产生10% gating magnitude下降的限制检测阈值为16 pM。预测模型中，对流扩散PDE与两室模型TCM对gating magnitude（GM）和normalized maximum slope（NMS）的预测与实验值非常接近，而全混模型WMM在低浓度下误差增大。作者指出生物芯片阵列可实现多分析物检测，并通过校准通道校正电极间差异，显著改善重现性；该装置可用于人血清、血浆和全血，无需ELISA前后处理，电学读出提供客观测量。附录中流感A病毒临床检测与培养结果比较，证明其敏感性和特异性。增加结合位点密度和流量可改善灵敏度，但受质量传输限制，改善非线性。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：聚碳酸酯片上蒸镀100 nm金（Au）电极，作为脂质双分子层支撑与电学换能界面；芯片阵列中为硅片、50 nm Ti、200 nm Au、100 nm Si3N4和TiO2环。
- 内层tethered脂质层：含tethered gA单体（s）、膜跨脂质（MSL）、生物素化膜跨脂质（BMSL, b）和半膜跨脂质（HMSL），通过二硫键固定于金电极。
- 外层mobile脂质层：由DPEPC与GDPE混合磷脂自发形成，提供脂质双分子层外叶并允许gA单体侧向扩散。
- 识别元件：BMSL末端生物素（biotin）作为受体/结合位点，用于结合链霉亲和素（streptavidin）或后续抗体片段；也可用生物素化抗体片段（b-Fab）识别抗原。
- 信号换能元件：未tether的生物素化gA单体（gA5XB, c）与tethered gA单体（s）形成二聚体（d）时产生离子通道电导；目标结合后阻止二聚化，电导下降。
- 微流控腔室：矩形截面流动池（h=0.1 mm, W=3 mm, L=0.7 mm），用于样品流动、减少分析物耗竭。
- 电学读出：金电极与参比电极间施加小交流电位，测量外电路电子流/膜电导变化。
中文摘要
本文描述了一种作为高灵敏度生物传感器运行的分子机器的构建、运行与预测建模。嵌入自组装tethered脂质双分子层中的短杆菌肽A（gA）离子通道作为生物开关，响应目标分子，并提供信号放大机制，从而实现高灵敏度分子检测。该生物传感器可用作快速、灵敏的即时诊断装置，适用于人血清、血浆和全血等不同基质，无需酶联免疫吸附试验所需的前处理和后处理步骤。该装置的电学读出器还具有客观测量的优势。本文提出了分子机器构建的新思路，包括生物芯片阵列的制备，以及其在宽浓度范围内检测分析物分子的实验研究。值得注意的是，尽管装置复杂，但通过建立分析物流体流动和表面化学反应模型，可以预测其响应。所建立的传感动力学预测模型还有助于确定分子机器设计中的关键变量，如离子通道寿命、双分子层脂质膜内扩散动力学以及生物分子相互作用速率常数。
英文摘要
This paper describes the construction, operation and predictive modeling of a molecular machine, functioning as a high sensitivity biosensor. Embedded gramicidin A (gA) ionchannels in a self-assembled tethered lipid bilayer act as biological switches in response to target molecules and provide a signal amplification mechanism that results in high sensitivity molecular detection. The biosensor can be used as a rapid and sensitive point of care diagnostic device in different media such as human serum, plasma and whole blood without the need for pre and post processing steps required in an enzyme-linked immunosorbent assay. The electrical reader of the device provides the added advantage of objective measurement. Novel ideas in the construction of the molecular machine, including fabrication of biochip arrays, and experimental studies of its ability to detect analyte molecules over a wide range of concentrations are presented. Remarkably, despite the complexity of the device, it is shown that the response can be predicted by modeling the analyte fluid flow and surface chemical reactions. The derived predictive models for the sensing dynamics also facilitate determining important variables in the design of a molecular machine such as the ion channel lifetime and diffusion dynamics within the bilayer lipid membrane as well as the bio-molecular interaction rate constants.