组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
其他（微悬臂梁纳米机械生物传感器）
检测对象
互补单链DNA（complementary ssDNA，ssBioB2plusC）；样品基质：磷酸盐缓冲液（pH 4.5–9.5，离子强度0.3 M）
检测原理
硫醇化ssDNA探针通过Au-S键高密度固定于金膜微悬臂梁表面。识别事件为互补目标DNA与表面ssDNA探针杂交；同时pH改变使ssDNA磷酸骨架质子化/去质子化，水化力、静电排斥和空间位阻变化，引起探针构象与界面应力变化。低pH下部分质子化导致拉伸应力、探针可及性降低；高pH下静电排斥增强使悬臂梁向下弯曲，增加目标DNA可及性。杂交产生的压缩表面应力使微悬臂梁弯曲，光学梁偏转系统读出偏转，并与非互补参考悬臂梁差分，扣除折射率、非特异结合和温度漂移，再用Stoney方程换算为表面应力。在固定500 nM目标DNA下，偏转随pH依赖的杂交效率变化；杂交量越大，压缩应力与偏转越大。
检测灵敏度
原文未报告LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数。
效应效果
采用探针与非互补参考悬臂梁差分测量，可扣除温度漂移、非特异结合和折射率变化；不同随机排列结果一致。pH 8.5时目标DNA杂交差分偏转最大，约17.7±2.1 nm，对应压缩表面应力约3.5±0.4 mN/m，较pH 4.5–5.2增强5–8倍。dsDNA对照偏转不随pH变化，验证信号来自ssDNA构象/杂交。pH 6.5/4.5/8.5三循环可逆重现；SPR平行实验给出48.8±0.5 RU、37.5±0.2 RU及19.57±1.0 RU变化，支持结论。作者认为无需巯基己醇混合单层即可简化制备并提高DNA微悬臂梁阵列灵敏度。
传感器的构成
- 基底/换能器：硅微悬臂梁（Si cantilever，500×100×0.9 μm），将表面应力转换为纳米机械弯曲。
- 粘附/导电层：2 nm Ti 与 20 nm Au 电子束蒸发于悬臂梁一侧，Au 提供硫醇自组装界面。
- 识别元件：硫醇化单链DNA探针 ssBioB2plus（26-mer，5′-SH-(CH2)6-...）高密度固定，密度约1.3×10^13 cm^-2，用于捕获互补目标DNA。
- 参考元件：非互补序列 ssUnsp 及短链 ssBioB2（12-mer）固定于参考悬臂梁，用于差分扣除非特异结合、折射率和温度漂移。
- 目标物：互补单链DNA ssBioB2plusC（500 nM），在磷酸盐缓冲液（pH 4.5–9.5，离子强度0.3 M）中注入。
- 信号标记物：无外源标记物；杂交与pH诱导ssDNA构象变化产生表面应力，作为无标记信号。
- 读出系统：光学梁偏转装置（VCSEL激光与位置敏感探测器）及液体处理/温控系统，测量悬臂梁偏转并用Stoney方程换算表面应力。
中文摘要
DNA的可及性与结合亲和力是影响表面生物传感器技术中杂交效率的两个关键参数，更高的可及性通常带来更高的杂交效率。传统方法常采用单链DNA与巯基己醇混合单层，以降低空间拥挤和静电排斥，提高表面固定寡核苷酸对互补目标DNA的可及性。本文未使用巯基己醇单层，而是通过在不同pH条件下进行微悬臂梁差值偏转测量，证明DNA表面杂交效率在pH 7.5–8.5之间达到峰值。在低pH 4.5时，水化作用和静电作用导致拉伸表面应力，表明固定ssDNA探针的可及性降低，不利于杂交；而在高pH 8.5时，邻近ssDNA链之间的静电排斥增强，削弱空间相互作用，使微悬臂梁远离金表面弯曲，为目标DNA提供更多空间。由于目标DNA可及性提高，悬臂梁偏转与pH依赖的表面杂交效率呈比例变化。因此，通过调节pH即可优化DNA表面杂交效率。
英文摘要
The accessibility and binding affinity of DNA are two key parameters affecting the hybridization efficiency in surface-based biosensor technologies. Better accessibility will result in a higher hybridization efficiency. Often, mixed ssDNA and mercaptohexanol monolayers are used to increase the hybridization efficiency and accessibility of surface-bound oligonucleotides to complementary target DNA. Here, no mercaptohexanol monolayer was used. We demonstrate by differential microcantilever deflection measurements at different pH that the hybridization efficiency peaks between pH 7.5 and 8.5. At low pH 4.5, hydration and electrostatic forces led to tensile surface stress, implying the reduced accessibility of the bound ssDNA probe for hybridization. In contrast, at high pH 8.5, the steric interaction between neighboring ssDNA strands was decreased by higher electrostatic repulsive forces, bending the microcantilever away from the gold surface to provide more space for the target DNA. Cantilever deflection scales with pH-dependent surface hybridization efficiency because of high target DNA accessibility. Hence, by changing the pH, the hybridization efficiency is adjusted.